THQGS1型光栅传感器实验指导书.docx
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THQGS1型光栅传感器实验指导书
目录
前言1
THQGS-1型光栅传感器实验箱实验指导书2
THQGS-1型光栅传感器实验箱使用说明书12
前言
光栅应用于技术领域已有一百多年的历史。
早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波长的测量，到了20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，从而出现了光栅传感器。
光栅传感器具有许多优点，如测量精度高。
在圆分度和角位移测量方面，一般认为光栅传感器是精度最高的一种，可实现大量程测量兼有高分辨率；可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；且具有较强的抗干扰能力等。
因此近些年来，光栅传感器在精密测量领域中的应用得到了迅速发展。
THQGS-1型光栅传感器实验箱实验指导书
光栅传感器测量位移实验
一、实验目的
1．了解光栅传感器测量位移的原理。
2．学习光栅传感器测量位移的方法。
3．加深对莫尔条纹形成的光学原理、位移放大作用和误差平均效应的理解。
二、实验设备
THQGS-1型光栅传感器实验箱。
三、实验原理
1．基本工作原理
在玻璃尺、玻璃盘或金属上类似于刻线标尺或度盘那样，进行长刻线（一盘为10～12mm）的密集刻划，得到如图1（a）或（b）所示的黑白相同、间隔细小的条纹，没有刻划的白处透光，刻划的黑处不透光，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。
光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般都取a=b，而W=a+b，W称为光栅的栅距（也称光栅常数或光栅的节距），它是光栅的重要参数。
（a）
（b）
图1光栅栅线放大图
光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件构成的，而光栅是光栅传感器的主要部件，如图2所示。
光栅传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。
取两块光栅栅距相同的光栅，其中光栅3为主光栅、光栅4为指示光栅，指示光栅比主光栅要短，这两者刻面相对，中间留有很小的间隙d，便组成了光栅副。
将其置于由光源1和透镜2形成的平行光束的光路中，若两光栅栅线之间有很小的夹角θ，则在近似垂直于栅线方向上就显现出比栅线W宽得多的明暗相间的条纹6，这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹，其信号光强分布如图2中曲线7所示。
中间为亮带，上下为两条暗带。
当主光栅沿垂直于栅线的x方向每移动过一个栅距W时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。
用光电元件5接收莫尔条纹信号，经电路处理后计数器计数可得主光栅移动的距离。
图2光栅传感器的构成原理图
对于波长为
的光源来说，要求光栅副间的间距d=
/
；光源一般采用钨丝灯泡；光电接收元件一般采用光电池和光敏三极管。
2．光栅的种类
光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。
而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。
计量光栅的分类如图3所示。
图3计量光栅的分类
1）长光栅
长光栅主要用于测量长度或直线位移，它的刻线相互平行，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。
根据栅线形式的不同长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅。
黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以也称幅值光栅或振幅光栅。
图4所示的透射光栅就是黑白光栅的一种。
闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅。
闪耀光栅的线槽断面分对称型和不对称型两种。
图4黑白透射长光栅
根据光线的走向，长光栅又分为透射光栅和反射光栅。
透射光栅是将栅线刻制在透明的玻璃上，反射光栅的栅线则刻制在具有强反射能力的金属（如不锈钢或玻璃镀金属膜）上。
2）圆光栅
圆光栅是把细条纹刻在玻璃圆盘上，也称光栅盘，主要用透射的，主要用来测量角度或角位移。
圆光栅的结构如图5所示。
根据刻划的方向，可分为两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心。
另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切，此小圆直径很小，只有零点几到几个毫米，适用于精度要求较高的场合。
径向光栅、切向光栅如图6所示。
图5圆光栅结构图
（a）径向光栅（b）切向光栅
图6径向光栅、切向光栅
3．莫尔条纹
长光栅的横向莫尔条纹如图7所示。
相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。
长光栅莫尔条纹间距为
（1）
式
（1）中，W1为主光栅（也称标尺光栅）1的光栅常数；
W2为指示光栅2的光栅常数；
θ为两光栅栅线的夹角。
当光栅副间的夹角θ很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫尔条纹间距B为
（2）
图7长光栅横向莫尔条纹
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。
当θ=0、B=∞时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。
这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故将这种条纹称为光闸
莫尔条纹。
横向莫尔条纹具有如下几个重要特性：
1）莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系。
在光栅副中，任一光栅沿着垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直于光栅移动方向运动。
当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹栅距；当光栅改变移动方向时，莫尔条纹也随之改变移动方向。
两者运动方向是对应的。
因此可以通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向判定光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。
2）莫尔条纹具有位移放大作用。
由于θ值很小，从式
（2）可以看出光栅具有放大作用，放大系数为
（3）
由于θ值很小，因尔K值很大。
虽然栅距W很小，很难观测到，但B却远大于W，莫尔条
纹明显可见，便于观测。
例如W=0.02mm、θ=0.1°,则B=11.45692mm，K≈573。
而用其它方法不易得到这样大的放大倍数。
3）莫尔条纹具有平均光栅误差作用。
莫尔条纹是由一系列刻线的交点组成。
如果光栅栅距有误差，则各交点的连线将不是直线，
而通过指示光栅的整个刻线区域，由光电元件接收到的是这个区域中所包含的所有刻线的综合结
果。
这个综合结果对各栅距起了平均作用。
若假定单个栅距误差为δ，形成莫尔条纹区域内有n
条刻线，则综合栅距误差可近似为
。
这说明莫尔条纹位置的可靠性大为提高，从而
提高了光栅传感器的测量精度。
4．光栅传感器
1）光栅线位移传感器
光栅线位移传感器主要应用于直线移动机构，可实现直线移动量的精确测量，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。
本实验箱光栅线位移传感器采用KA-300型光栅尺。
步进电机转动时，通过联轴器带动传动丝杆转动，传动丝杆上的移动块带动光栅尺读数头移动，光栅尺读数头移动方向通过步进电机转动方向控制，移动速度通过步进电机转动速度控制。
光栅尺读数头移动时输出相位相差90°的A、B两路TTL方波信号，同时输出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。
（2）光栅角位移传感器
光栅角位移传感器作为角位移测控部件，目前已在数控机床、电梯行业、电脑刺绣、纺织机械、轧钢、印刷机、工业机器人及伺服传动、自动控制、位置检测等方面得到广泛应用。
本实验箱光栅角位移传感器采用EB38A6-L5AR-1024型增量式光电编码器。
步进电机转动时，通过转盘、联轴器带动光电编码器转动，光电编码器转动时输出相位相差90°的A、B两路TTL方波信号，每转输出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。
5．辨向原理
在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。
单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方
向，因而就不能判别光栅的运动方向，以至不能正确测量位移。
如果能够在物体正向移动时，将
得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样
就能得到正确的测量结构。
完成这样一个辨向任务的电路是辨向电路。
为了能够辨向，应当在相
距B/4的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位差90°的方波信号，如图8所示。
然后将信号送到辨向电路中去处理，辨向电路原理框图如图9所示。
图8相距B/4的两个光电元件
图9辨向电路原理框图
当主光栅向左移动，莫尔条纹向上运动时，光电元件1和2分别输出如图10所示的的电压
信号u1、u2，经放大整形后得到相位差90°的两个方波型号
、
。
经反向后得到
方波。
和
经RC微分电路后得到两组光脉冲信号
和
分别加到与门Y1和Y2的输入端。
对与
门Y1，由于
处于高电平时
总是低电平，故脉冲被阻塞Y1无输出。
对与门Y2，
处于
高电平时，
也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”。
可逆计
数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。
同理，当主光栅反向移动时，输出信号波形如图10
所示，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行
减法计数。
这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计之脉冲数即代
表光栅位移x。
（a）（b）
图10光栅移动时辨向电路各点波形
6．细分电路
上述辨向逻辑电路的分辨率为一个光栅栅距W，为了提高分辨率，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。
另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到W/n。
细分的方法有多种，常用的有直接细分法和电阻桥细分法，这里只介绍直接细分法。
直接细分也称为位置细分，常用细分数为4，故又称为四倍频细分。
实现方法有两种：
一是在依次相距B/4的位置安放四个光电元件，因而从每个光电元件获得相位依次相差90°的四个正弦信号，用鉴向器分别鉴取四个信号的零电平，即在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲。
这样，在莫尔条纹的一个周期内将产生四个计数脉冲，实现了四倍频细分。
另一种实现方法是采用在相距B/4的位置上，安放两个光电元件，首先获得相位相差90°的两个正弦信号u1和u2，然后分别通过各自的反向电路后获得与u1和u2相位相反的两个正弦信号u3、u4。
最后通过逻辑组合电路在一个栅距内获得均匀分布的四个脉冲信号，送到可逆计数器。
本实验箱光栅传感器测量电路采用GAL可编程逻辑器件实现四倍频细分。
7．步进电机驱动
本实验箱通过步进电机驱动来控制光栅线位移传感器（光栅尺）或光栅角位移传感器（光电编码器）运动。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
利用其没有累积误差的特点，广泛用于各种开环控制。
在精度要求高的地方也可用于死循环控制。
本实验箱步进电机采用日本TAMAGAWA（多摩川）TS3622N12型混合式步进电机。
四、实验内容与步骤
1．光栅线位移传感器测量直线位移实验
1）用五芯双航空插头线将步进电机驱动“控制输出”接至“步进电机1”。
2）将光栅尺信号输出接至光栅传感器输入接口。
3）打开实验箱后面电源开关，光栅传感器测量电路和步进电机驱动电路上电，相关LED和数码管显示初始化状态。
4）设置步进电机驱动参数，本实验箱所用步进电机为四相，因此步进电机相数设置为四相，其它参数根据实验需要设定。
具体设置参见使用说明书中的步进电机驱动电路操作说明。
5）设置光栅传感器测量参数，参考值设置和测量前先选择光栅类型为线位移。
具体设置参见使用说明书中的光栅传感器测量电路操作说明。
6）步进电机驱动和光栅传感器测量各参数设置好后，按“执行”键，步进电机开始运行，光栅尺读数头按设定方向移动，移动速度通过“频率调节”电位器调节。
7）在连续运行方式下，将步进电机转速调节为慢速，观测光栅尺读数头位移变化规律，验证光栅尺分辨率。
8）在连续运行方式下，将步进电机转速调节为快速，使光栅尺读数头从标尺一端移动到另一端，观测光栅尺读数头位移化规律，测量光栅尺读数头从标尺一端移动到另一端的直线位移。
光栅尺读数头上有箭头，用于测量定位。
9）在测量过程中，尝试方向设定、公英制转换、参考值设定（置数）、光栅零参考点、清零、
相对、绝对坐标转换等操作，完成光栅线位移传感器测量直线位移实验。
10）实验完成，关闭电源开关。
2．光栅角位移传感器测量角度位移实验
1）用五芯双航空插头线将步进电机驱动“控制输出”接至“步进电机2”。
2）将光电编码器信号输出接至光栅传感器输入接口。
3）打开实验箱后面电源开关，光栅传感器测量电路和步进电机驱动电路上电，相关LED和数码管显示初始化状态。
4）设置步进电机驱动参数，本实验箱所用步进电机为四相，因此步进电机相数设置为四相，其它参数根据实验需要设定。
具体设置参见使用说明书中的步进电机驱动电路操作说明。
5）设置光栅传感器测量参数，参考值设置和测量前先选择光栅类型为角位移。
具体设置参见使用说明书中的光栅传感器测量电路操作说明。
6）步进电机驱动和光栅传感器测量各参数设置好后，按“执行”键，步进电机开始运行，光电编码器轴按设定方向转动，转动速度通过“频率调节”电位器调节。
7）在连续运行方式下，调节步进电机转速，观测光电编码器轴在不同转速下转动角度位移变化规律。
8）在连续运行方式下，设置步进电机拍数为单拍，预置步数为n，记录步进电机停止运行后光电编码器轴转动角度位移θ，计算步进电机步距角θ/n。
9）在手动单步运行方式下，按“执行”键，步进电机单步运行，观测光电编码器轴转动角度
位移变化规律。
10）在测量过程中，尝试方向设定、参考值设定（置数）、光栅零参考点、清零、相对、绝对
坐标转换等操作，完成光栅角位移传感器测量角度位移实验。
11）实验完成，关闭电源开关。
五、预习要求
1．熟悉光栅传感器测量位移的原理和方法。
2．了解步进电机驱动原理。
3．了解位移测量相关知识。
六、思考题
1．光栅传感器测量位移的原理和方法是什么？
2．光栅传感器有哪些应用？
3．怎样提高光栅传感器测量位移的的分辨率？
七、实验注意事项
1．实验前先认真阅读使用说明书。
2．光栅尺有效量程为160mm，当光栅尺读数头上箭头移动到标尺端点时，应采取步进电机驱动
3．反向或停止操作。
4．实验过程中步进电机发热或有噪音均属正常现象，如运行不流畅，可减小步进电机转速。
八、实验报告
1．阐明光栅传感器测量位移的原理和方法。
2．验证光栅尺分辨率，写出提高光栅尺分辨率的方法。
3．用光电编码器测量步进电机步距角。
4．写出实验心得体会。
THQGS-1型光栅传感器实验箱使用说明书
本实验箱是光电实验教学仪器。
通过本实验可以使学生了解光栅传感器测量位移的原理，学习光栅传感器测量位移的方法，并加深对莫尔条纹形成的光学原理、位移放大作用和误差平均效应的理解。
实验时通过设置步进电机驱动电路参数，可以即时改变步进电机拍数、转向、运行步数、转速，来控制光栅线位移传感器（光栅尺）或光栅角位移传感器（光电编码器）运动，光栅传感器测量电路用来测量光栅线位移传感器（光栅尺）水平位移和光栅角位移传感器（光电编码器）角度。
一、组成和使用
（一）实验仪的供电
实验箱后面板配有带保险丝管（0.25A）的220V单相交流电源三芯插座，另配有三芯插头电源线一根。
箱内设有一只变压器，为电路板提供多组交流电源。
实验仪适用50Hz，～220V±10%市电供电。
（二）结构
实验箱由步进电动机驱动电路、光栅传感器测量电路、光栅线位移传感器实验装置、光栅角位移传感器实验装置组成。
1．步进电机驱动电路
由单片机和外围数字电路组成，能通过数码管和LED显示步进电机运行状态，步进电机各相
的通电状态用4只LED来指示。
（1）键盘功能说明
“设置”键：
步进电机参数设置的功能键。
手动单步运行方式和连续运行方式的选择。
“拍数”键：
单拍、双拍运行方式选择。
“转向”键：
正、反转选择。
“相数”键：
相数（三相、四相）选择。
“数位”键：
预置步数的数据位设置。
“数据”键：
预置步数位的数据设置。
“执行”键：
执行当前运行状态。
步进电机参数设置好后按“执行”键开始运行。
“复位”键：
由于外因导致系统死机时可按此键，经动态自检过程后返回系统初始状态。
（2）操作说明
1）系统开机或复位后，由5位数码管组成的步进电机运行状态显示器自动进入“9999→8888→7777→6666→5555→4444→3333→2222→1111→0000→-1.3000”的动态自检过程，而后停显在系统初始状态“-1.3”。
2）步进电机驱动参数设置
在系统初始状态下，按“设置”键，状态显示器显示“-1.3000”，此状态为步进电机参数设置的初始状态，此时可以设置步进电机拍数、转向、相数和预置步数。
拍数：
按“拍数”键，状态显示器在“┫”与“]”（正转）或“┣”与“[”（反转）之间切换，“┫”或“┣”表示单拍，“]”或“[”表示双拍。
转向：
按“转向”键，状态显示器首位在“┫”与“┣”（单拍）或“]”与“[”（双拍）之间切换，“┫”或“]”表示正转，“┣”或“[”表示反转。
相数：
按“相数”键，状态显示器第二位在“3”与“4”之间切换，“3”表示三相，“4”表示四相。
本实验箱所用步进电机为四相，因此所有实验步进电机相数均设置为四相。
预置步数：
按“数位”键，状态显示器逐位显示“0”，出现小数点的位即为选中位。
按“数据”键，可以写入选中位所需的数字。
分别按“数位”和“数据”键，可将预置步数的各位写入状态显示器的相应位。
3）运行方式设置
步进电机驱动各参数设置好后，按“设置”键，状态显示器在“××000”与“××A”之间切换，“××000”表示连续运行方式，“××A”为手动单步运行方式。
4）执行
步进电机驱动各参数及运行方式设置好后，按“执行”键，步进电机开始运行。
在连续运行方式下，如果没有预置步数，步进电机将一直运行，代表步进电机各相A、B、C、D的相应LED按照设置转向和转速依次循环亮，按“设置”键，步进电机停止运行，状态显示器显示“××A”；如果设置有预置步数，状态显示器作自动减1运算，直到减至0后，步进电机停止运行，状态显示器自动返回连续运行方式的初始状态。
在手动单步运行方式下，按“执行”键，步进电机单步运行，状态显示器末位依次循环显示步进电机通电各相A、B、C、D，并且代表步进电机各相A、B、C、D的相应LED亮。
5）转速调节
在连续运行方式下，步进电机转速通过“频率调节”电位器调节，顺时针调节转速增大，逆时针调节转速减小。
2．光栅传感器测量电路
由单片机、可编程逻辑器件和外围数字电路组成，能对光栅线位移传感器（光栅尺）或光栅角
位移传感器（光电编码器）输入的信号进行处理，并通过数码管精确显示光栅线位移传感器（光栅尺）水平位移和光栅角位移传感器（光电编码器）角度。
（1）功能
1）8位数码管显示位移，首位为符号，8只LED显示功能状态；
2）方向设定：
正向、反向；
3）公英制转换：
公制、英制；
4）清零、参考值设定（预置）；
5）相对、绝对坐标转换：
参考值、绝对值；
6）光栅类型选择：
角位移、线位移。
（2）操作说明
1）系统开机或复位后，8位数码管显示“0.000”，“正向”、“公制”、“线位移”指示LED亮，系统默认为“正向”、“公制”、“绝对值”、“线位移”状态。
按“功能”键，“正向”、“反向”、“英制“、“公制”、“绝对值”、“参考值”、“角位移”、“线位移”指示LED依次循环亮。
2）光栅类型设定
“功能”→角位移/线位移指示LED亮→“确认”，参考值设置和测量前先选择光栅类型。
3）方向设定
“功能”→正/反向指示LED亮→“确认”。
4）公英制转换
“功能”→公/英制指示LED亮→“确认”。
公制单位为毫米（mm），英制单位为英寸（inch）。
5）参考值设定（置数）
“功能”→参考值指示LED亮→输入“×××××.×××”（线位移）/“××××.××.××”（角位移）→“确认”，数据有效，开始测量。
6）光栅零参考点
“功能”→参考值指示LED亮，移动光栅，过零点自动退出“参考值”进入正常测量。
7）清零（三种方法）
a．按“取消”键；
b．按“0”键；
c．“功能”→参考值指示LED亮→输入“0”→“确认”。
8）相对、绝对坐标转换
“功能”→参考值/绝对值指示LED亮→“确认”。
3．光栅线位移传感器实验装置
由步进电机1、联轴器、传动丝杆、双列调心轴承、光栅线位移传感器（光栅尺）组成。
（1）步进电机1
型号：
TS3622N12
额定电压：
15V
额定电流：
0.21A
阻抗：
70Ω
相数：
四相
（2）光栅线位移传感器：
光栅尺
型号：
KA-300
有效量程（mm）：
160
截面尺寸（mm）：
25×34
准确度：
±5um（20℃/68℉1000mm）
零位参考点：
每50mm一个
最大移动速度：
60m/min
重复性：
±1计数脉冲
密封保护：
lp53
栅距（mm）：
0.02，每mm50线对
分辨率（um）：
5
输出信号：
TTL
光栅尺TTL信号输出图
脚位
1
2
3
4
5
6
7
8
9
信号
空
0V
空
地线
空
A
+5V
B
Z
色标
空
黑
空
铜网
空
绿
红
黄
白
4．光栅角位移传感器实验装置
由步进电机2、转盘、联轴器、光栅角位移传感器（光电编码器）组成。
（1）步进电机2：
参数同步进电机1。
（2）光栅角位移传感器：
光电编码器
型号：
EB38A6-L5AR-1024
输出形式：
增量式
输出脉冲数：
1024脉冲
输出路数：
二路输出A、B
零信号宽度Tz=1T
电源电压VCC：
DC5V
输出电压：
高电平≥85%VCC，低电平≤0.3VCC
消耗电流：
≤120mA
输出波形：
方波
载空比：
0.5T±0.1T
启动力矩：
1.5×10-3Nm（+25℃）
转动惯量：
3.5×10-6kgm2
轴最大负荷：
径向：
20N，轴向：
10N
输出方式：
驱动器输出AM26LS31
最高转速：
6000rpm
最高频响：
0～100kHz
分辨率范围：
10～5000P/R
应用温度：
-10℃～70℃
光电编码器TTL信号输出图
脚位
1
2
3
4
5
6
7
8
9
信号
A
0V
B
Shield
Z
空
+Ub
空
空
色标
绿
白
灰
黑
蓝
空
棕
空
空
二、实验项目
1．光栅线位移传感器测量直线位移实验。
2．光栅角位移传感器测量角度位移实验。
三、使用注意事项
1．光栅尺、光电编码器均为精密高精度光电器件，使用过程中严禁拆卸、敲击和摔打碰撞，否则有可能损坏。
2．光栅线位移传感器实验装置中传动丝杆是精密部件，使用过程中应避免碰撞，以免对丝杆造成损伤，影响传动效果，平时应定期对丝杆加油，以防生锈，缩短使用寿命。
3．光栅线位移传感器实验装置和光栅角位移传感器实验装置出厂前均装配调试好，使用过程中不要自行拆卸，如长期使用后螺丝松动，应由厂家专业技术人员调试好后加固。
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