U m sin cos U m cos sin
ua
uo
' U m sin( )
注：
R R
2 1 2 2
U
' m

2 2 R1 R2
R1 R2
Um
cos
R2 R
2 1 2 R2
R1
sin
R1 R
2 1 2 R2
R2
R1 arctan R2
电压比较器 正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
0 18 36 54 72 90 108 126 144 162
得到十路方波信号，其相位依次相差18
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
0 36 72 108 144
PX
PX P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144 P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144
P P P P P 0 36 72 108 144
一对正交位移信号： a 和 ub u 位移的方向： 正向时u a 超前ub
2 ub u p uP P cos( x ) W
up
u p p
反向时ub 超前u a
位移的大小： x
可见位移大小的 信息包含在信号的 相位中。
光栅传感器的测量电路
电阻链细分电路 设 up
光栅传感器的测量电路 信号 方波信号
信 号 转 换
放 大
细 分
整 形
四 倍 频 、 判 向
加 减 计 数 数 字 信 号
正弦(余弦)信号 各种接口
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
W
sin x
cos x
sin x
n1W 1 4 W n2W 2 4 W n3W 3 4 W
P P P P P 18 54 90 126 162
得到五细分（倍频）后的 PX ，P 正交方波。 Y
光栅传感器的测量电路
五细分电路实现： 注：异或门74LS86：
13 3 2 5 6 4 10 12 9 8 11
P36 P 108 P0 P 18 P 162 P90 P54 P 126
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
传 感 器
放 大 器
细 分 电 路
整 形 电 路
细 分 电 路
脉冲 当量 变 换 电 路
计 数 器
寄 存 器
计 算 机
显示 执行 机 构
辨向电路
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
光栅数字式传感器
光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻
莫尔条纹（Moire）的特性
方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 →方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓ → 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度
光栅传感器的测量电路
五细分电路
sin
56K 33K 18K
0
24K
0 10 5 3 10
2 5 2 3 5 7 10 4 5 9 10
18 36 54 72 90 108 126 144 162
cos
18K
24K 56K 33K
24K 33K
光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点
精度高： 测长±(0.2+2×10-6L)μm， 测角±0.1″ 量程大： 透射式---光栅尺长（米）， 反射式---几十米 响应快： 可用于动态测量 增量式： 增量码测量 → 计数 断电→数据消失 要求高： 对环境要求高→温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度 成本高： 电路复杂
P72 P 144
74LS86异或门
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑
小 结 ：
PX
P Y
W
光栅 相对位移 莫尔条纹 正交 正弦信号 五细分 正交 方波信号
细分后的一个方波信号 是原正弦信号按相位等分的 五分一，因此，分辨率提高 了五倍。 细分后的方波信号仍是 一对正交方波信号。
光栅传感器的测量电路
脉冲当量、最小分辨率均为 1 mm 0.0001mm 100 25 4 显示数为 3 118 100 0.0001mm 1.1875mm 4
光栅传感器的应用
开 启 式
密 封 式
光栅传感器的应用
日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心
光栅传感器的应用
思考与讨论： 问题：怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统？
x n W
(5 4)
x－位移长度； n 总计数值； W－栅距； W (5 4) 脉冲当量 －
光栅传感器的测量电路
结果显示、打印
位移长度：
显示
9898.1234
mm
x n W
总细分数
打印
其它处理
mm
线 例 ： 一 光 栅 数 显 系 统 ， 选
光栅栅距
W 1 mm 0.01mm 100
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑
正交方波信号 四细分： 一个方波内状态改变四次， 记录下状态改变的次数，则一个 方波又按相位被细分为四等分。 判向： 根据当前时刻和前一时刻的 状态，可以判断出位移的方向。
A B
1100 0110
因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态的 变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得
1
真值表：
74LS86异或门
9 8 10 13 11 12 2 5 1 3 4 6
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 0
Y AB AB
A B
Y
P Y
PX
P (( P P ) P ) Y 18 162 90 ( P P ) 54 126 PX (( P P ) P ) 36 108 0 ( P P ) 72 144
闪耀光栅（相位光栅）
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 长光栅 --- 直线位移 圆光栅 --- 角位移 构成： 主光栅 --- 标尺光栅，定光栅 指示光栅 --- 动光栅 长度 --- 测量范围； 刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅传感器的结构和工作原理
56K 18K
33K 24K 18K
56K
sin
光栅传感器的测量电路
信号整形
5V
ui
uR
sin x
5V2.7K 1.2M
ui ui uR
10K 10K 10K
13 p 13 p
＋ 1.2M － ＋ LM 339 －
2.7K u
ui
o
uo
ui
ui
uR
uR
10K
LM 电压比较器 339
cos x
光栅传感器的结构 透镜 光源 主光栅 指示光栅 光电元件
光栅副 光 路
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
按运动形式分： 直线型---主光栅为直尺形→直线移动 旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动
按光学形式分： 透射式---光源与光电元件在两侧→透射光 反射式---光源与光电元件同一侧→反射光
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的工作原理 莫尔条纹的形成
+
位移
正弦波
莫尔条纹（Moire）
主光栅
指示光栅 均匀刻线 夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度：
B
W

W-栅距， a-线宽， b-缝宽
W=a+b ，a=b=W/2
特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
uo
0 ， p p U m 。则 u
ua U m sin x U m sin
ub U m sin( x ) U m cos 2 ub u
o

R2 (ua ub ) ub R1 R2 R1ub Ru 2 a R1 R2 R1 R2 R1 R2 U m cos U m sin R1 R2 R1 R2
cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换 标 尺 光 栅 假 如 移 动 了 一 个 栅 距
sin x cos x 得到四个信号： sin x cos x
sin x
cos x
sin x
指示光栅
cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
正弦差分信号
余弦差分信号 得到一对相位相差
四细分、判向逻辑
关于正交方波信号的讨论： 正交方波信号 位移方向信息： 正向移动时，A超前B；
A B
1100 0110
反向移动时，B超前A。 位移大小信息：
2 x 。 相位 W
正交方波信号的状态变化规律： 10 正向移动时 00 01 11 反向移动时
结论： 正交方波信号的状态变化规律为： 正向时00、10、11、01而反向时相反 一个方波状态改变四次
信号相位每变化 72 就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。