最新第7章-光栅传感器课件PPT.ppt 73页

'第7章-光栅传感器 7.1光栅基础7.1.1光栅分类及结构1.光栅分类光栅按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线细密，利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量；在几何量计量中使用的光栅称为计量光栅，计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属材料的为反射式光栅。 按其栅线形式，光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。黑白光栅是利用照相复制工艺加工而成，其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅的横断面呈锯齿状，常用刻划工艺加工而成。按其应用类型，光栅可分为长光栅和圆光栅。长光栅又称为光栅尺，用于测量长度或线位移；圆光栅又称盘栅，用于测量角度或角位移。目前还发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅。本章主要介绍透射式的计量光栅。 图7.2圆光栅栅线 7.1.2莫尔条纹原理计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，从而开创了莫尔测试技术。在我们生活中常常见到莫尔现象，当薄的两层丝绸叠加在一起并作相对运动时，形成一种漂动的水波型花样，这就是莫尔条纹（亦称为云纹）。 7.1.2莫尔条纹原理莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。将主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ，这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列棱形图案构成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙，光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。 图7.3莫尔条纹原理 由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹。 (1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2特例：当=0,w1=w2→B=→光闸莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动 7.1.3莫尔条纹特点1.位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为令k为放大系数，则(7.1)(7.2) 一般θ很小，所以放大系数k很大。故尽管光栅栅距w很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时，通过调整θ角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使光电接收元件能正确接收光信号。对于100线／mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06°时，莫尔条纹间距B可达10mm，放大了1000倍。 2.运动对应的关系由图7.1知，若光栅栅距为w，i为刻线数，x为移动距离，则x=iw(7.3)将式（7.3）代入式（7.1）中，有(7.4)由式（7.4）知，当θ很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距w时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互对应的关系。因此，可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动方向和距离。 3.误差减小作用光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，莫尔条纹是由若干条光栅刻线共同干涉形成的，所以对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。这是光栅传感器精度高的一个重要原因。 刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为δ，形成莫尔条纹区域内有N条刻线，则综合误差Δ为(7.5) 7.2光栅传感器的工作原理7.2.1光电转换原理光栅传感器的光电转换系统由光源1、聚光镜2、光栅主尺3、指示光栅4和光敏元件5组成，如图7.4(a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化，如图7.4(b)所示。在a处，两光栅刻线不重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；在c处，由于光被遮去一半，光强减小；在b处，光全被遮去而成全黑，光强为零。若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大。因而形成图7.4（b）所示的输出波形。 图7.4光电转换 在理想情况下，当a=b=w时，光强亮度变化曲线呈三角形分布，如图7.4(b)中虚线所示。但实际上因为刻划误差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲线。当用平行光照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布的似于正弦函数。 7.2.2莫尔条纹测量位移原理 7.2.2莫尔条纹测量位移原理当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距w时，电信号则变化了一个周期。这样，光电信号的输出电压U可以用光栅位移x的正弦函数来表示，光敏元件输出的波形为式中：U0——输出信号的直流分量；Um——交流信号的幅值；x——光栅的相对位移量。(7.6) 由式（7.6）可知，利用光栅可以测量位移量x的值。当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距w，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=Nw。因此，只要能记录移动过的莫尔条纹数N，就可以知道光栅的位移量x值。这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的原理。 7.2.3辨向原理为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且两个莫尔条纹信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的位置上安装两只光敏元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样，相位相差π／2。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。 图7.5辨向原理 AB与CD两个狭缝在结构上相差π／2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π／2。AB为主信号，CD为门控信号。当主光栅作正向运动时，CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过，门电路在可逆计数器中作加法运算；当主光栅作反方向移动时，则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。图7.6为辨向原理电路框图。 图7.6辨向原理电路框图 7.3莫尔条纹细分技术7.3.1细分方法目前使用的细分方法有：（1）增加光栅刻线密度。（2）对电信号进行电子插值，把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一个周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。（3）机械和光学细分。 图7.7四路电信号波形 7.3.2光电元件直接细分在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件（如图7.4(c)所示），得到相位分别相差π／2的四个正弦周期信号（如图7.7所示）。用适当的电路处理这一列信号，由图7.8(a)可知，AB和CD两光电元件输出的U1和U2经方波发生器后变成方波，并相差π／2。在1、3点的方波经倒相器倒相一次，便得到2、4点两个方波倒相电压。将它们分别微分后获得5、6、7、8四点的正脉冲，同时送到与非门得到9点的12个输出脉冲为原来任意一路的四倍，实现了四倍频细分，如图7.8（b）所示。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以得到1/4个莫尔条纹宽度的位移量（即光栅固有分辨率的四倍）。此种细分方法被称为四倍频细分法。 图7.4光电转换 图7.8四倍频细分(a)四倍逻辑；（b）波形图 7.3.3CCD直接细分1.细分原理CCD直接细分的原理是，利用线阵CCD上数千个等间距的像素所构成的“感光尺”对整栅距的位移信号，即周期性的交点移动信号进行细分，使测量信号能够反映一个栅距内的精确位移。细分的具体方法如下。在均匀的背景光照明下，光栅刻线在CCD像素位置上形成明暗相间的像，如图7.9(a)所示。CCD在扫描驱动脉冲的控制下对一维视场进行扫描，输出一个周期性的脉冲序列。周期内的脉冲数等于像素数，脉冲幅值反映了像点的亮度，从脉冲序列中可以明显地辨认出交点的位置（暗点）（如图7.9（b）所示）。对脉冲进行限幅比较，并配以简单的逻辑电路即可筛选出从扫描原点到第一个交点之间的脉冲，如图7.9(c)所示。 图7.9CCD直接细分 当刻线与CCD像场的交点移动时，亮点临界脉冲的位置也相应地改变。用计数器记下从扫描原点到临界脉冲间的脉冲数，即可确定光栅在一个栅距间的位移。 2.细分精度这种细分方法的分辨率取决于两交点像之间所包含的像素数，精度取决于像素的尺寸精度以及各像素光电特性的一致性。由于CCD是采用蚀刻方法制作的集成电路，各像素尺寸和光电特性都较均一，所以采用CCD直接细分法时精度可以做到与其分辨率同一个数量级。如果采用软件拟合方法，精度还可以进一步提高。由于线阵CCD与标尺光栅刻线也有一个θ角，投影在CCD视场中的交点数就等于以前的莫尔条纹数。改变θ角的大小就可以改变视场中交点的个数，从而改变直接细分的分辨率。CCD直接细分光栅的分辨率δ由下式决定：(7.7) 式中：L为CCD的像场长度；P为有效像素数；q为像场中的交点数。计量光栅的栅距为w=0.01mm，线阵CCD像素数可以做到P=5000个。设在视场中有两个交点的像，此时q=2，由公式（7.7）可知分辨率δ可达到4nm。当采用CCD光栅栅距直接细分法时，CCD输出的图像信号经处理后为一系列代表光栅栅线相对位置的周期性脉冲序列（如图7.9(d)）。设每一个周期内的脉冲数为n，则位移x与输出信号n的关系为x=NN′M′S=nS 式中：N——扫过CCD视场的刻线数；N′——光栅相邻两刻线间对应的线阵CCD像素数；M′——后续电路或计算机软件对信号进行的插值细分数；S——位移脉冲当量，即单位脉冲信号代表的光栅相对位移量。7.3.4光栅传感器的误差单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔条纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。设光电接收元件所覆盖的光栅刻线总数为N，单个栅距误差为δ，则可利用式(7.3)粗略地描述平均误差与单个栅距误差之间的关系。 因为常用栅距w为0.05～0.01mm，若取光电池尺寸为10mm，则平均误差Δ为因此，其平均误差Δ很小。实际上莫尔条纹变化一周，只移动一个栅距，也就是在200～1000条刻线中只改变了一条刻线，因此单个栅距误差的影响实际上比式（7.3）的还小。长光栅栅距误差一般水平为微米（μm）数量级，圆光栅为秒（″）数量级。 7.4常用光学系统7.4.1透射直读式光路将图7.4中光电元件5采用四极硅光电池作为光电转换元件，就构成四细分直读式分光系统。把形成的横向莫尔条纹宽度B调整到等于四极硅光电池的宽度S（见图7.4(c)），这样莫尔条纹变化一个条纹宽度B，四极硅光电池依次就输出四路相位依次相差π／2的电信号（如图7.7所示波形），四路电信号相当于对莫尔条纹信号进行四细分。这种光路的结构简单，位置紧凑，调整使用方便，目前广泛应用于粗栅距的黑白透射光栅传感器中。 图7.4光电转换 7.4.2反射直读式光路反射直读式光路如图7.10所示。光源1经聚光镜2成平行光束并以一定角度通过场镜3射向指示光栅4，莫尔条纹是金属制成的标尺光栅5反射回来的光线与指示光栅4相互作用形成的，由光电元件6接收莫尔条纹并将其转换成电信号。这种光路常用于黑白反射光栅传感器中。 图7.10反射直读式光路 7.4.3反射积分式光路反射积分式光路如图7.11所示。只用一只闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅。光源1发出的光经准直透镜2变成平行光束垂直入射到分光镜3上，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光并垂直射到具有等腰三角形栅线的闪耀光栅4上A、B两点的线槽面时，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光镜3，在分光面处相遇产生干涉现象，其干涉条纹经透镜5由光电元件6接收并转换成电信号。这种光学系统具有光学四细分的作用，分辨力较高。例如，栅线密度为600线／mm时，干涉条纹变化一个周期就相当于光栅移动量为Δw=1／4×1／600=0.42μm。这种光路只用于细栅距的反射式闪耀光栅传感器中。 图7.11反射积分式光路 思考题与习题1.透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关系是什么？一个200线／mm的透射式光栅的莫尔条纹放大倍数是多少？(夹角为0.06°时）补充：如何利用光栅传感器测量位移及判断移动方向？ 农村高中学生厌学原因分析及对策研究 学生自身的原因1.文化基础差，考试成绩不理想。因为随着现在课程难度的加深，有很多学生由于基础差，导致上课听不懂，作业不会做，于是就抄同学作业，老师是应付过去了，可是考试成绩却令自己不满意，然后对学习就失去了信心，久而久之，就产生了厌学心理。 学生自身的原因2.自我控制能力差，很容易被外界的事物吸引。在当今信息发达的社会，网络游戏、QQ聊天、言情小说等吸引着学生，因为学生本身自我控制能力就差，所以外界的稀奇古怪的东西很容易就把学生的魂勾过去了，学生自然就会没心思学习，整天心神不定，心情浮躁，就产生了厌学心理。 学生自身的原因3.思想政治素质低。有相当部分的厌学学生，在初中甚至小学就是“双差生”，平时纪律松散，缺点毛病不少，坐立不安，因而就对学习产生厌恶。 学生自身的原因4.心理承受能力差。很多学生只要考试考不好，就放弃学习，一点都不能振作起来，时间一长，就产生了厌学心理。 社会原因1.经济飞腾的现代，出现许多好玩的东西，诱惑着学生，使得学生一天到晚想着，无心学习，于是就对学习产生了厌倦感。2.社会的不良风气影响了学生，给学生灌输了一些陈规陋习甚至丑陋的东西，从而使得学生产生了厌学心理。 社会原因3.如今又很多人找工作都拉关系，走后门，这些不正之风使得学生觉得学习并不重要，因而就排斥学习，最终产生了厌学心理。4.在当今，不少企业、公司等招工招干，重人情而轻人品，看文凭不看水平，使得青少年对学习有了糊涂的认识。 社会原因5.现在有很多知识分子都找不到工作，找到工作的工资还很低，名牌大学的学生还卖猪肉等，这些现象使得学生讨厌学习。6.其他国家的一些不良影响通过各种媒介、网络等途径传入，使得学生在人生的追求，对事物的判断有了偏转。 家庭原因由于现在经济发展生活水平的提高，人的思想开通了，大多数家庭就只有一个孩子，孩子在家里就是老大，从小就养成了一种“衣来伸手，饭来张口”的习惯，因此使得他们对于学习知识技能的劳动劳力且枯燥单调的生活自然就有了一种畏拒感。 家庭原因很多家长给孩子报很多补习班，周末孩子都要学习，给孩子带来了很多压力，孩子就对学习产生了恐惧感。如今很多家庭都很富裕，家里就只有一个宝贝，因此钱紧着孩子花，孩子的经济就非常宽裕，使得厌学有了条件。 学校原因有些学校教学体制陈旧，学制固定，教材固定，专业固定，使学生觉得学习没劲，于是就产生了厌学。有些学校教学方法陈旧呆板，总以书本、课堂、教学为中心，弄得学生长期处于一种被禁锢的状态，时间一长，厌学心理就产生了。 学校原因有些学校理论多，实践少，或者教学实验等设备部齐全，造成学生不愿学，对学习没兴趣。学校在管理上，“严”得多，“宽”得少，学生课余活动单调死板，少了该有的生动灵活。教师队伍教学水平、素质不高，与学生期望值相去甚远，使学生对学习产生了厌倦感。 对策！ 社会方面1.各级党和政府要加大力度，坚决清除社会上那些影响极大的丑恶现象，从而改善广大学生生活的外层空间，减少不良现象对学生的刺激和诱惑。 社会方面2.加大对电子游戏机室、营业性歌舞厅、网吧等禁止未成年人进入的场所的管理，违者应采取严厉的制裁措施。3.公司企业找工招干，要实行公开、公平竞争，既、不仅要重视文凭，更要重视水平，减少学生的侥幸心理。 社会方面4.有关部门要根据有关法律法规，有效地抵御和防止来自其他国家的不良思想和文化的侵蚀，大力加强爱国主义教育，培养学生的优质品质。5.在经济不断发达的今天，应提高知识分子的待遇，让他们成为人们羡慕的对象，从而让学生知道读书的重要性，重新激起对学习的兴趣。 家庭方面1.父母要及时培养、传授中国的优良传统和精神，让孩子养成自强、自力的品质，让孩子有竞争意识。2.父母要多给孩子心灵上的关怀教育，而不是多给物质上的关照。 家庭方面3、父母平时要主动与老师联系，及时了解孩子的情况，然后给孩子正确的关爱，让孩子感受到家庭的温暖，从而增添对学习的信心和兴趣。4、一些家长对孩子严宽不当，孩子领教惯了，于是变得固执或自卑，对学习就极其不利。 学校方面1、积极推进教育体制改革，让学生满怀需求入学，真真正正学到知识和技能。2、加强学校实验等设备设施的投入，让学生在学中做，做中学，理论与实践相结合，从而增强学生学习的积极性和主动性。 学校方面3、学校在学生管理上，要宽严结合，学习要求上严格标准，课余生活中自由灵活，让学生课堂上学得主动，课余活动玩得开心，从而形成一种优良的与人环境。4、学校要加强师资队伍的建设，不断提高教育教学水平，以求有效提高教育教学质量。 学生个人1、学生自身要提高自我控制能力，正确对待外界新奇事物的出现。2、学生应增强心理承受能力，增强自信心，努力学习。3、要有上进心，不懂就要问老师，积极参与到学生中，享受学习所带来的乐趣。 感想“厌学”这一主题非常的贴近我们自身，在我们的周围就有很多这样的现象，因此我认为这次研究性活动非常的有意义。通过这次活动，让我们知道了厌学所带来的影响是多么可怕啊······其实定下心来想想，学习是多么有趣的事，在学校不仅可以学到知识，还可以交到朋友，是很幸福的，这是很多不能读书的人都很向往的生活，可是真的很奇怪，为什么还是会有很多同学讨厌学习呢？我们希望通过此次的活动，能够让更多的知道学习的快乐和它的重要性，让正在沉睡的人能赶快的苏醒过来，重新振作起来，重新激起对学习的兴趣，然后潜心钻入学习的领域里，在每次的检测中都取得让自己满意的成绩，这样就不会对学习再有厌恶感了！ 课题组感想：厌学是大家都很关注的问题，正因为如此我们走到了一起，而这个课题正是将我们连接在一起的纽带。在搜索、调查、咨询、整理资料的过程中，虽然我们经历了许多的挫折，但更多的是快乐，拥有的是彼此相互之间的信任。在这期间，我们查阅了大量的资料，了解了许多有关厌学的知识，通过这次活动我们认识到只要有心去做一件事情，就一定能够把事情做好。我们在一起互相学习，互相合作，互相信任，学会了执著，学会了勇敢，学会了协作。这次的研究性学习是我们人生中的一堂哲理课，它教会了我们什么叫合作，什么叫团队精神，什么叫信任。 导师评价：“厌学”这一主题与学生﹑教师和学校都密切相关，在我们的周围就有很多这样的现象，因此我认为这次研究性活动非常的有意义。在这次研究性学习活动中，各位组员都表现的很积极，也和团结，虽然中途遇到了很多困难，但在大家的努力协作下还是克服了。我想这次活动不仅让大家增长了见识，培养了能力，更重要的是让大家懂得了团结的力量。 家长点评：1.在这次研究性学习中，所有的组员对所研究学习的内容进行了收集资料，设计方案，进行调查，分析整理…….他们很用心，付出了很多，也取得了一定的成果。在这过程中，也体现出学生的分析问题，解决问题的能力。'