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          CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應(yīng)用

          作者: 時(shí)間:2011-05-22 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            摘要:本文基于,提出借助代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池對(duì)莫爾條紋進(jìn)行檢測(cè),完成了信號(hào)的細(xì)分,并以位移的測(cè)量為例,實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的高精度測(cè)量。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/119689.htm

            關(guān)鍵詞: ;;莫爾條紋;細(xì)分;高精度測(cè)量

            原理和結(jié)構(gòu)

            光柵傳感器基本結(jié)構(gòu)及原理

            光柵傳感器的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)精密測(cè)量,其測(cè)量原理建立在莫爾條紋的基礎(chǔ)上。由于光的干涉效應(yīng),將等柵距的兩塊光柵以微小夾角重疊在一起,可以看到在近似垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋,稱(chēng)為莫爾條紋,如圖1所示:B為莫爾條紋間距,W為光柵間距:  

            光柵線夾角θ小,莫爾條紋寬帶B越大,相當(dāng)于把W放大了1/θ倍,大大的提高了測(cè)量靈敏度,也方便了光電元件的放置。

            本文利用長(zhǎng)光柵的位移傳感器,借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池檢測(cè)莫爾條紋,完成了信號(hào)的細(xì)分,并實(shí)現(xiàn)對(duì)位移和角度的高精度測(cè)量。因此,若利用光柵精密測(cè)量位移或角度,可利用光電元件測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng),通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)得到度量。

            測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式

            以位移測(cè)量為例,通常光柵傳感器是由光路系統(tǒng)、一對(duì)光柵副、與指示光柵相對(duì)位置固定的光電接收元件、整形細(xì)分電路組成。當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋就會(huì)沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí),莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。該正弦波經(jīng)整形為方波,在一個(gè)完整的光柵測(cè)量系統(tǒng)中,后級(jí)電路(往往是以單片機(jī)為核心)接收該信號(hào)后,根據(jù)兩路或多路信號(hào)的時(shí)序關(guān)系判別運(yùn)動(dòng)方向,并根據(jù)方波個(gè)數(shù)判斷位移。

            光柵數(shù)字傳感器的測(cè)量分辨率等于一個(gè)柵距。但是,在精密檢測(cè)中常常需要測(cè)量比柵距更小的位移量,為了提高分辨率,可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn):1)增加刻線密度來(lái)減小柵距,但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2)采用細(xì)分技術(shù),在莫爾條紋變化一周期時(shí),不只輸出一個(gè)脈沖,而是輸出若干個(gè)脈沖,以減小脈沖當(dāng)量,提高分辨力。細(xì)分的方法有多種,如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分和軟件細(xì)分等。下面介紹論文采用的4倍直接細(xì)分的信號(hào)處理過(guò)程。

            根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì),光電元件產(chǎn)生的信號(hào)近似為正弦波。A、B為兩個(gè)光電元件,使A、B的位置相距1/4B那么A、B輸出的正弦信號(hào)相位差π/2,如圖2所示。設(shè)莫爾條紋移動(dòng)方向?yàn)閺腁到B。A領(lǐng)先Bπ/2,A、B兩路信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)榉讲ǎ?/4個(gè)周期為單位時(shí)間,則在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)單位時(shí)間內(nèi),A依次為1、1、0、0,B依次為0、1、1、0,AB代表的二進(jìn)制數(shù)為10,11,01、00,即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距內(nèi),可以得到4組信號(hào),根據(jù)不同的信號(hào)值從而將位移確定在1/4個(gè)柵距內(nèi),實(shí)現(xiàn)了4倍細(xì)分。同時(shí)根據(jù)AB代表的系列值可以判斷移動(dòng)方向。

            在光柵傳感器中的應(yīng)用

            圖像傳感器的選用

            根據(jù)以上對(duì)光柵傳感器的剖析,可以看出要想提高對(duì)莫爾條紋的細(xì)分精度,可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)更高倍的細(xì)分的方法。但是由于工藝上的難度成本上的限制,不可能無(wú)限制地提高光柵線的密度,目前較普遍的是1mm 50~100線。也不可能精確地在保證一定的相位差下放置多路光敏元件。所以從以上兩點(diǎn)入手試圖改進(jìn)光柵傳感器的精度意義不大。目前的光柵傳感器一般采用硅光電池,再配以相應(yīng)的后續(xù)電路完成信號(hào)處理。所以考慮采用新的圖像探測(cè)器件來(lái)取代傳統(tǒng)的光電池是另一種值得考慮的方法。

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