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第7章光栅_图

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-25

  第7章光栅_物理_自然科学_专业资料。莫尔条纹测量原理 莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度;莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度,医学诊断和机器人视觉等。 1. 莫尔条纹 常

  莫尔条纹测量原理 莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度;莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度,医学诊断和机器人视觉等。 1. 莫尔条纹 常用的光栅栅距较大(远大于波长,大于0.01), 由两个光栅叠合而形成莫尔条纹。光栅栅距较小的相 位光栅由干涉和衍射形成。 1.1 长光栅莫尔条纹 (1)原理 莫尔条纹: 两块光 栅以微小角度重叠 时,在与光栅大致 垂直的方向上将看 到明暗相间的粗条 纹。通常计量光栅 的黑白线条是等宽 的,光栅的节距 (光栅常数)也为 等间隔。 刻划光栅 用腊腐蚀或照相腐蚀 方法制成的黑白光栅 主光栅的刻线 …表示; 指示光栅刻线 …表示; 两光栅刻线的交点为 (i,j), 莫尔条纹 1 由两光栅同刻线)… 构成。设主光栅栅距 为 d1 ,指示光栅栅距 为d2 。主光栅刻线与 x 轴的交点坐标为: xi= id1 : 指示光栅刻 线与 x 轴的交点坐标 为: xj=jd2/cosθ。 =0,1, 6,7,8 , 5 , 4 2,3, y 3 θ 1 x 2 =0,1,2,3,4,5,6,7,8 同号(i=j)刻线交点 xij ? xi ? id1 ? ?id 2 / cos? ? id1 ?ctg? ? id 2 / sin ? ? id1ctg? yij ? ?x j ? xij ?ctg? 条纹1的斜率: tg? ? ? yij ? y00 xij ? x00 ? yij xi d 2 ? d1 cos? d1 sin ? (令y00,x00为0) 莫尔条文1、2、3的方程 d 2 ? d 1 cos? y 1 ? xtg? ? x d 1 sin? d 2 ? d 1 cos? d2 y2 ? x? P1 sin? sin? y3 ? d 2 ? d 1 cos? d x? 2 d 1 sin? sin? 莫尔条纹的周期: B ? d 2 sin ? 或 2 W ? B cos? ? d1d 2 d12 ? d 2 ? 2d1d 2 cos? ? ? 1/ 2 莫尔条纹是周期函数。 (2)莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹(θ≠0): 当 d2 =d1 cosθ 时,α=0,是严格的横向莫尔条纹, 即当d1≠d2,总能找到一个θ角得到严格的横向莫尔条 纹,此时B= d1ctgθ=W。 当 d1=d2 时, tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2) ,即 α=θ/2。实际θ很小,可进似看作横向莫尔条纹,而 B = d2/sinθ≈W是一个很大的值。 d ? d cos? 纵向莫尔条纹(θ=0):W=d2d1/(d1- d2)。 tg? ? d sin ? 当d1=d2时为光闸莫尔条纹,W=∞。 B ? d 2 sin ? 斜向莫尔条纹:其余情况。 d1d 2 2 1 1 W? ?d 2 1 2 ? d2 ? 2d1d 2 cos? ? 1/ 2 长光栅莫尔条纹 播放动画 长光栅光闸莫尔条纹 播放动画 (3)测量原理 主光栅相对指示光栅移动一个栅距,莫尔条纹移动一个条 纹间距。莫尔条纹将光栅位移信息转换成光强随时间的变化。 只要计测条纹移过的个数 n,便可计算出光栅的位移量L,即 L ? nq ? ? (7-38) 式中 q=d 为量化单位,表示每移动一条纹所对应的长度量;δ 是不足一周期的移动量所对应的位移量。 位移量的放大作用: 将莫尔条纹间隔与光栅距之比定义为光栅 付的放大倍数β,对于微小倾角有 ?? W 1 ? d ? (7-40) 一般θ很小,β 约 102~103 量级,条纹宽度大,易于安装光电 管;光闸莫尔条纹指示光栅为四裂相,易于安装光电管。 误差的平均效应:光电器件接收的是许多刻线透过的 光,对刻线工艺误差有平均作用。 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线 n 的综合平均效果。因此,若每一刻线 时, 则光电器件输出的总误差 ?? ? ? 1 ?0 n 对于 d=0.02mm 的光栅副,用长为 10mm 的硅光电 池接收,在视场内同时有 500 根线工作。若单根线μ m , 则 光 电 池 输 出 的 平 均 误 差 仅 为 ±0.04μ m。 莫尔条纹信号通过狭逢入射到光电器件上,它输出的光电 信号近似于正弦波。用两个光电器件输出的信号可以判断光栅 移动的方向。两路光电信号的相位差为π/2,即一路为sinθ,另 一路为cosθ。 光栅系统结构 光源 准直镜 标尺光栅 指示光栅 探测器 - - 长光栅尺外形 1.2 圆光栅莫尔条纹 圆光栅分为径向和切向圆光栅两种 径向莫尔条纹 刻线从圆心向外辐 射;两栅距相同的圆光 栅保持一个小偏心 e , 形成圆弧莫尔条纹。在 偏心方向形成因栅距不 同引起的纵向莫尔条纹; 垂直方向引起横向莫尔 条纹;其它方向为斜向 莫尔条纹。 o o 2 1 径向莫尔条纹 播放中…… 播放动画 单击准备演示 光闸莫尔条纹 播放中…… 播放动画 切向莫尔条纹:两个圆光栅的刻线均切于同一圆。 两光栅的刻线相 同,切线方向相 反(切圆分别为 r1、r2), 它们的 圆心重叠。莫尔 条纹是圆环形的, 亦称为圆环莫尔 条纹。 用于检查圆 光栅的分度误差 及高精度侧角。 o 1 环形莫尔条纹 播放中 播放动画 …… 单击准备演示 光栅盘每条刻线表示角度的增量,即量化单位。 当光栅转盘转过一条刻线时,莫尔条纹将变化一次, 通过计算莫尔条纹的变化次数 n ,便可得到转轴旋转 的角度θ ,即 ? ? nq (7-39) q 为量化单位,表示相邻两条纹的角度量。 显然,这种装置只能测量角度的变化量,不能 得到角度的绝对值。因此,称它为增量式编码器。 图示为测角度用的圆光栅的原理图。指示光栅、光源、 透镜、与光电器件构成固定的光电探测头。 当光栅转盘旋转 时,指示光栅与 圆盘光栅产生的 莫尔条纹沿圆盘 径向移动,光电 探测头读出并判 断莫尔条纹的移 动量和方向,便 将角度量变换成 莫尔条纹信号。 增量式编码器 转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 A A C B C B 光敏元件 盘码及狭缝 零位标志 1.3 绝 对 式 编 码 器 绝对式编码器按照角度直接进行编码,可直 接把被测转角用数字代码表示出来。 优点:无需起动时位置重合;抗干扰能力强;无 误差累积;可靠性高;再现性好;通电后恢复原 来状态;信号并行传送等。 缺点:结构复杂,价格高;将任意位置取左零位 时需进行一定的运算等。 绝对式编码器演示 4个探测器 4位二进制码盘 输入公共码道 最小分辨角度为 α=360°/2n n为码道数 绝对式光电编码器 高位 低位 a)光电码盘的平面结构(8码道) b)光电码盘与光源、光敏元件的对应关系(4码道) 10码道绝对式码盘 码道 增量式编码器码盘 零位标志 角编码器外形 角编码器外形(续) 拉线式角编码器利用 线轮,能将直线运动 转换成旋转运动。 角编码器外形 (参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司) 2. 应 用 数显表在机床进给 运动中的应用 1-横向进给位置检测光栅 2-纵向进给位置检测光栅 3-数字显示装置 编码器在定位加工中的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外,可用于数字测 速、工位编码、伺服电机控制等。 1—绝对式编码器 转盘 5—工件 2—电动机 3—转轴 4— 6—刀具 数控加工中心 编码器在数控加工中心的 刀库选刀控制中的应用 角编码器与旋转刀库连接 刀具 旋转刀库 角编码器的输出为当前刀具号 被加工工件 用不同的刀具加工复杂的工件 编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电 机的转速、转角,并通 过伺服控制系统控制其 各种运行参数。 ?转速测量 ?转子磁极位置测量 ?角位移测量 2. 莫尔条纹测量原理及系统组成 指示光栅移动的距离: x= ? nd ?? x nd+δ 大数计数: x =nd x1 1 ? nd n 移动的栅线对数;d 栅距。 小数计数: x x2 ?? 1=δ 不足一周期的小数部分用细分方法求解。 光栅系统组成 横向莫尔条纹光栅 结构,四倍频细分 透镜读数头。 光栅系统组成 光源 准直镜 标尺光栅 指示光栅 探测器 光闸莫尔条纹结构,四倍频细 分透镜读数头。指示光栅是四 裂相的,每相相差 π/2 ,每相 后面置光电管,输出四相光电 信号:sin、cos、-sin、-cos。 - 四裂相指示光栅 3. 细分辨向原理 3.1 电子学细分和辨向 四倍频细分辨向 光栅输出 sin 和 -sin , cos 和 -cos 四路信号,经差 分放大可消除共模干扰。四路信号可分别表示为 四倍频整形细分辨向电路 信号处理电路方框图 四倍频整形细分辨向电路波形图 正向测量: sin 方波超前 cos 方波 π/2, 由 Q+ 输出正向计数 脉冲(Q-输出为0)。 反向测量: sin 方波滞后 cos 方波π /2, 由Q- 输出反向计 数脉冲(Q+ 输出为 0)。 正向运动 反向运动 3.2 软件细分辨向 由 A 、 B 点输出的模拟信号经 A/D 后由计算机采 集转换值进行细分。 正向运动: sin 方波超前 cos 方波 π/2 , sin 方波下降沿 触发单稳输出脉冲如图b,其与cos方波相与由C点输 出正向计数脉冲(图d)。此时上升沿产生的脉冲不 能由D点输出。 反向运动: sin 方波滞后 cos 方波 π/2 , sin 方波上升沿 触发单稳输出脉冲如图c,其与cos方波相与由D点输 出反向计数脉冲(图e)。此时下降沿产生的脉冲不 能由D点输出。 电 路 原 理 框 图 差放 比较 单稳1 差放 比较 单稳2 单稳1 单稳2 单稳1 单稳2 正向运动 反向运动 软件细分原理 软件细分可对正弦信号或余弦信号的进行幅值采 样,采样值与相位角有确定的关系,由此可得出被测 位移量。实际中的信号受电源波动、光强、速度和温 度等因素的影响,为减小其影响,软件采用正、余弦 信号的比值进行细分,而 tgθ 和 ctgθ 中包含了确定的 位移信息。 tg? ? U 0 sin ? U 0con? tg? ? U 0con? U 0 sin ? 由于tgθ和ctgθ是多值函数,须在0~360o内处理 为单值函数。 uc=u0cosθ us=u0sinθ 细分区间的确定 区间 1 2 3 4 θ (°) 0-45 45-90 90-135 135-180 180-225 225-270 270-315 315 us + + + + - uc + + + + │ uc│-│us│ + + + + ctgθ tgθ 5 6 7 8 π/4 π/2 处理方法:将0~360o分为 8个区,每个区间各占45o。 单片机采集正、余弦信号的 A/D 值,并对其进行正、 负及绝对值大小的判断,由此可唯一确定每个区间。 在1、4、5、8区间用tgθ查表细分,在2、3、6、7 区间用ctgθ查表细分,而由tgθ和 ctgθ的性质可知,只需 在0~45o 范围造表细分。用基数加上或减去查表值即 可求得不同区间的细分值。 造表插值的计算式如下: A ? INT?256tg? ? ? INT?256tg ?1.8N ?? N=0~24 是查表序数;对栅距为 0.02 mm 的光栅200 细分,每一细分值对应1 μm,N正好也是细分值。 4. 置零信号的产生 ● 光栅测量系统属于增量式测量系统,任一位置可作为零位, 可用系统清零点作为零位。 ● 但有时需要绝对零位:如消除累计误差,进行误差修正, 实现停电记忆等。 ● 零位脉冲的形成 ⑴ 以单狭缝做零位:在标尺光栅和指示光栅上各刻一条宽为 a= 主光栅栅距的狭缝,以up/2作为阈值电平产生零位脉冲方 波。但单狭缝光强太弱。 ⑵ 零位光栅:根据一定的刻线规律,在标尺光栅和指示光栅 上刻制一组条纹,在两光栅对准时,总光通量最大,其余位 置的光通量远小于最大光通量。 零位光栅透过的光能量 零位光栅 作 7.1,7.2,7.7 业 1、一对均为50 lp/mm的光栅尺组成横向莫尔条纹测 量装置,有四列信号输出,光电接受管的直径为 1mm,两光栅的夹角至少应该有多大?如果单刻线μm,光电接受管的平均误差是多少? 2、莫尔条纹法进行几何测量有什么优点?光栅莫尔 条纹测量装置,一般为什么有四列信号输出? 圆弧莫尔条纹 播放动画 单击准备演示 播放中 …… 光闸莫尔条纹 播放中 播放动画 …… 环形莫尔条纹 播放中 播放动画 …… 单击准备演示 辐射形莫尔条纹 单击准备演示 播放动画 长光栅莫尔条纹 播放动画 长光栅光闸莫尔条纹 播放动画 图4.16 BG1型光栅传感器外形图 图4.17 微机光栅数显表的组成框图 图4.18 数显表在机床进给运动中的应用 §5-3 衍射光栅 5.3.1 衍射光栅 ? 能够使入射光的振幅或位相,或者两者同时产生周期性 空间调制的光学元件叫做衍射光栅。 分类:根据利用反射光还是透射光,衍射光栅可分为反 射光栅和透射光栅两类;按它对入射光的调制方式又可 分为振幅光栅和位相光栅;此外,还有矩形光栅和余弦 光栅,一维、二维、三维光栅等。 光栅种类虽然较多,但其主要应用是作为分光元件,在 光谱测试、光通信系统等领域有广泛的应用。 ? ? ? 这里仅介绍几种应用。 §5-3 衍射光栅 5.3.2 衍射光栅应用例 ? 1.光谱仪 球 面 反 射 镜 谱面 接收部分 闪耀光栅 转台 准直部分 反射镜 狭 缝 利特罗自准直光谱仪 聚 光 镜 光源 §5-3 衍射光栅 5.3.2 衍射光栅应用例 ? 2.光波分复用器 125μm λ1 λ5 输出光纤 自聚焦透镜 光栅 6.2? 输入光纤 λ1~λ5 玻璃楔 光栅型波分复用器结构示意图 §5-3 衍射光栅 5.3.2 衍射光栅应用例 ? ? 3.光纤光栅 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。 光纤光栅利用光纤材料的光敏性(外界入射光和掺锗光 纤纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化), 在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质上是纤芯内形 成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。 ? 目前制作的光纤光栅反射率R可达98%,反射谱宽为1nm。 §5-3 衍射光栅 5.3.2 衍射光栅应用例 ? 4.光栅分束器 偏振器 氦氖激光器 干涉图平面 光栅1 光栅2 滤波孔径 成像透镜 准直镜 待检表面 掠入射干涉仪光路图 长光栅莫尔条纹 播放动画 长光栅光闸莫尔条纹 播放动画

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