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标题: 新型缩微计量光栅传感器开发与应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2018-9-12 18:38
标题: 新型缩微计量光栅传感器开发与应用
摘要：缩微计量光栅传感器是一种新型光栅传感器，它具有体积小、成本低、使用简单、稳定可靠的特点，除了用于传统工业测量和控制外，还可以应用在高精度鼠标、计价秤、智能玩具等新产品上。该成果已获国家专利（ZL98118174.0）。本文介绍了该传感器的结构、工作原理、参数指标以及应用方法。
关键词：光栅；传感器；缩微；莫尔条纹；位移检测
中图分类号：TP212.14文献标识码：A
一、前言
光栅测量具有测量精度高、测量范围大、数字（脉冲）量输出的优点，广泛用于数控加工设备、光刻设备以及其它需要对位移或转角做高精度检测的场合。但由于测量精度高、光学系统比较复杂、光栅安装配合尺寸严格，所以通常情况下只能用于高端领域，使这种优秀的测量手段难以获得普及应用。
缩微光栅传感器是一种新型的低成本、高可靠性、易使用的微型数字化光电传感器，它用国家发明专利技术制造的缩微光栅作为传感器的光栅材料，通过光电元器件直接检测光栅相对运动产生的干涉莫尔条纹，输出对应的光电脉冲，实现对位移或转角的测量。该传感器可以作为通用型、普通精度的位移和转角传感器，广泛用于仪器仪表、工业控制领域。由于该传感器价格极低，还可以用于智能玩具、计算机外设产品中，因此具有良好的应用前景。
缩微光栅传感器主要包括长光栅位移计量传感器和圆光栅转角计量传感器，下面以位移计量光栅传感器为例讨论其结构原理和应用方法。
二、缩微光栅传感器的结构与工作原理
1.结构
缩微光栅位移传感器结构见图1，传感器主要由主光栅、指示光栅、光敏元件和传感器壳体构成。主光栅滑杆由透明材料制成，其端部与被测物体通过连接孔固定连接，可以在滑槽中作前后移动，主光栅滑杆的一面嵌贴有缩微光栅片，在传感器壳体主光栅滑槽的一边槽壁上嵌贴有另一片缩微光栅片作为指示光栅，它与主光栅构成一对光栅付。传感器壳体在主光栅滑槽的两边安装有两对光敏器件，发光管发出的两路平行光通过两条光缝，穿过光栅干涉面到达另一边的光敏接收管，光敏接收管用来检测干涉莫尔条纹引起的光强变化并输出相应的电流波形。采用双光路设计可以实现运动方向判别和脉冲细分，从而提高传感器的测量精度和实现判向功能。指示光栅与光敏元件安装在由工程塑料制成的传感器壳中，传感器通过两边的固定孔与相对静止的构件连接，光敏器件的引脚为标准排列，可以让传感器直接焊接在印制电路板上。
该传感器最显著的特点是主光栅和指示光栅采用缩微光栅材料，缩微光栅是利用CAD技术与缩微摄影技术结合制造的光栅，它具有柔韧性好、制造加工方便、成本低的特点。
由于采用红外发光管作为光源，不仅使传感器寿命长、抗干扰性好、成本低，而且使传感器的体积和重量进一步缩小，使得该传感器具有很好的鲁棒性。
2.工作原理
传感器在制造时必须保证主光栅和指示光栅的栅线保持固定的微小夹角θ，光栅面保持合适的微小间距，这样当与被测物体连接的主光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹，通过光电元件检测莫尔条纹数量和方向即可以得到位移量或转角大小以及它们的方向信息。
可以证明当θ很小时，莫尔条纹的间距B与栅距W以及夹角θ之间存在下面的关系：
(1)显然，干涉得到的莫尔条纹间距B比原来光栅本身的栅距W放大了1/θ倍，因此，传感器可以通过检测莫尔条纹的数量得到光栅相对位移量。主光栅通常固定在被测物体上，并且随被测物体移动，主光栅的长度决定传感器位移检测范围。指示光栅与光电元件属于传感器的固定部分，工作时通常被固定在机器的机架或机器壁上。光电元件用来感测随主光栅的移动而产生的莫尔条纹的光强变化，当两块光栅相对移动时，可以观测到莫尔条纹的光强变化。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹便走过一个条纹间距，电压输出正好经历一个正弦变化周期，当光栅连续运动时，通过电路整形处理，这一正弦信号变成一串连续脉冲输出。脉冲数和条纹数与移过的光栅栅距是一一对应的，因此位移量为：d＝NW（2）
N为移过的莫尔条纹的数量，据此可以知道运动部件的位移量d。节距角为θ。节距角为θ的圆光栅根据栅线是径向还是切向分布可分为径向圆光栅和切向圆光栅，它们的莫尔条纹形态分别是不同曲率半径的圆弧形和以光栅中心为圆心的同心圆簇，即环形莫尔条纹。当两片光栅相对做旋转运动时，每转过一个č角，对应输出一条莫尔条纹，光敏管同时输出一个脉冲信号，其检测原理与长光栅传感器基本相同。
三、传感器技术参数
光栅传感器的检测分辨率主要取决于光栅的栅距，栅距越小，分辨率越高；对于透射计量光栅，一般用“线对/mm”数表示。缩微光栅理论上最大可以做到200线对/mm，但目前实际使用的光栅传感器采用的光栅为20～50线对/mm，考虑到这种光栅传感器主要作为普通精度通用型传感器应用，这样的精度已经可以满足实际需要。
光栅位移传感器的主要参数如下：
（1）最大分辨率：0.005mm(四倍细分)/0.02mm(不细分)
（2）最大测量范围：0mm~45mm
（3）检测误差：≤0.05mm
（4）体积：15×13×10mm3
（5）安装方式：8脚双列直插式焊接＋双安装孔固定
（6）主光栅移动方式：阻尼型/微阻尼型
四、应用方法举例
位移和转角是最常见的物理量，本文介绍的缩微光栅传感器正是对这些物理量进行检测。由于是数字量输出，不需要A/D转换电路，所以应用电路简单，保证了产品具有很好的性价比。这种缩微光栅传感器不仅可以代替其它方式的传感器，而且可以催生许多新产品。传感器设计成双光路结构，不仅可以对运动对象的运动方向进行判别而且可以对测量输出信号进行四倍细分，有效提高检测分辨率。
测量原理见图3，光敏管的光学检测缝宽度为1/4B，两路光敏管输出的信号始终保持1/2π相位差，信号经放大和整形电路后，再各自取反，从而得到四路相位彼此相差1/2π的方波信号，这些信号再经过提取边沿处理即可以实现四倍细分，同时根据边沿的时序可以判断主光栅的运动方向，以消除由于光栅往返回复运动给位移检测带来的误差。后级电路除了可以采用硬件电路实现以外，还可以用单片机来完成整个细分、辨向、计数译码和显示，具体参见文献1。
参考文献：
[1]朱孝立.一种光栅计量的单片机处理方法[J].合肥工业大学学报，1998年9期，
[2]张善锺.计量光栅技术[M].北京：机械工业出版社，　1985.12
[3]OdedKafri,IlanaGlatt.ThePhysicsofMoireMetrology.U.S.1990[/J]

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