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柵式傳感器的測量電路

   2019-10-23 十二14
核心提示:為了辨別主光柵是向左還是向右移動,僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無法辨別的,因此,在原來的莫爾條紋上再駕駛室一條莫爾條紋,使兩個莫爾條紋信號相差π/2相位。

1)光電轉換

   主光柵和指示光柵做相對移動產生了莫爾條紋,莫爾條紋需要經過轉換電路才能將光信號轉換成電信號。光柵傳感器的光電轉換系統由聚光鏡和光敏元件組成,如圖14-5(a)。當兩塊光柵做相對移動時,光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化,如圖14-5(b)所示。在a處,兩光柵刻線重疊,透過的光強最大,光電元件輸出的電信號也最大;c處由于光被遮去一半,光強減小;d處的光全被遮去而成全黑,光強為零;若光柵繼續移動,透射到光敏元件上的光強又逐漸增大,因而形成了如圖14-5(b)所示的輸出波形。

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  光敏元件輸出的波形可見如下公式:

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2)辨向原理

  為了辨別主光柵是向左還是向右移動,僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無法辨別的,因此,在原來的莫爾條紋上再駕駛室一條莫爾條紋,使兩個莫爾條紋信號相差π/2相位。實現的方法是在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件,如圖14-6所示。

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  兩種信號經整形后得到方波U1’和U2’。當主光柵右移(見圖b、d)時,U1’的微弱信號與U2’相與得到正向移動脈沖,從與門Y1輸出;而U1’倒相后微分,在與門Y2相與,由于在U1’的微分脈沖出現時,U2’是低電位,故Y2無輸出脈沖。當主光柵左移(見圖c、d)時,U1信號超前U2信號π/2相位,U1’的倒相方波經微分后,在與門Y2上相與;U1’微分信號與U2’在與門Y1上相與的結果正好和右移情況相反,而Y1無脈沖信號輸出,Y2有信號脈沖輸出。這樣就實現了主光柵左右移動的方向辨別。

3)細分原理

  如果僅以光柵的柵距做其分辨單位,只能讀到證書莫爾條紋;倘若要讀出位移為0.1μm,勢必要求每毫米刻線1萬條,這是目前工藝水平無法實現的。因此,只能在有合適的光柵柵距的基礎上,對柵距進一步細分,才可能獲得更高的測量精度。常用的細分方法有倍頻細分法、電橋細分法等。這里介紹四倍頻細分法,在一個莫爾條紋寬度上并列放置了4個光電元件,如圖14-7(a)所示得到相位分別相差π/2的四個正弦周期信號。用適當電路處理這一系列信號,使其合并得到如圖14-7(b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應,則電脈沖的周期為1/4個摩爾條紋寬度。用計數器對這一系列脈沖信號技術,就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量,這樣便得到光柵固有分辨率的4倍。此種方法稱為四倍頻細分法。若再增加光敏元件,同理可以進一步提高測量分辨率。

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4)磁柵傳感器的數字測量原理

  在實際應用中,一般采用兩個多間隙靜態磁頭來讀取磁柵上的磁信號。若兩磁頭間距為微信截圖_20190821080023(n為整數),那么,兩激磁信號的相差為π/4。由前述內容可知,兩磁頭輸出信號相差為π/2.若兩磁頭的激磁繞組加同樣的正弦激磁信號,則兩磁頭的輸出信號為

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經濾除高頻載波后,得到與位移量x成比例的信號為

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U1’、U2’是與位移x成比例的信號,經過適當處理后便可得到位移量,這就是所謂的鑒幅法。

若激磁繞組上施加相位差為π/4的正弦激勵信號,或將輸出信號移相π/2,則兩磁頭輸出信號為

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