THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
机电一体化技术
正弦差分信号
余弦差分信号 得到一对相位相差

2
的正交差分信号
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24K 33K
56K 18K
33K 24K 18K
56K
sin
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光栅传感器的测量电路
信号整形
机电一体化技术
5V
ui
uR
sin x
5V2.7K 1.2M
ui ui uR
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
机电一体化技术
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
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光栅传感器的测量电路
位移信号
机电一体化技术
2 ua u p uP P sin( x ) W
up
u p p
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
机电一体化技术
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 透镜 光源 主光栅 指示光栅
机电一体化技术
光电元件
光栅副 光 路
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
机电一体化技术
被 莫 测 尔 正 物 通过光栅 条 通过光电 弦 整 形 体 转 换 纹 元件转移 波 转 换 位 移 移 动
光栅的分类
按用途分
机电一体化技术
物理光栅 利用光的衍射现象，主要用于光谱分 析、光波长测量。 计量光栅 利用莫尔条纹现象，主要用于长度、 角度、速度、加速度、振动等物理量 的测量。 长光栅 用于长度测量
计量光栅 圆光栅 用于角度测量 透射式光栅 按光的走向 反射式光栅 按栅线的形式
径向光栅 切向光栅 环形光栅
方 逻辑电压 脉 波 转 换 冲
故
被测物体位移＝栅距×脉冲数
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
机电一体化技术
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U m sin cos U m cos sin
' U m sin( )
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
ua
o

R1 R2
黑白光栅（幅值光栅）
闪耀光栅（相位光栅）
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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 )
cos x
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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 W
机电一体化技术
sin x
cos x
sin x
指示光栅
cos x
sin x cos x 得到四个信号： sin x cos x
光栅传感器的结构和工作原理
机电一体化技术
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
ub
ua
uo
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
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机电一体化技术
18 54 90 126 162
Y
P P P P P P P P P P P Y 18 54 90 126 162 18 54 90 126 162 P P P P P P P P P P 18 54 90 126 162 18 54 90 126 162
机械工程及自动化学院
倪霞林
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
机电一体化技术
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
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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
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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
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。
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
机电一体化技术
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
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正弦(余弦)信号 各种接口
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光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
机电一体化技术
W
sin x
cos x
sin x
n1W 1 4 W n2W 2 4 W n3W 3 4 W
光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点
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光栅传感器的测量电路 信号
机电一体化技术 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
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
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P P P P P 0 36 72 108 144
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）。
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光栅传感器的测量电路