光栅位移传感器（精选4篇）
光栅位移传感器 篇1
0 引言
光栅位置检测系统作为数控机床的重要组成部分,主要用于数控机床的位置检测和闭环反馈控制,用来进行高精度检测直线位移和角位移,其测量精度直接决定了数控机床的精度[1]。德国海德汉公司是世界上最知名的光栅线位移传感器的生产厂家,其样本公布的指标可达:栅距0.512μm,分辨率0.001μm,准确度±0.1μm/m。我国高精度光栅线位移传感器研制及制造能力较弱,指标:栅距20μm,分辨率0.1μm,准确度±5μm/m,均属中低档产品,只能用于普通机床[2]。近年来,西安交通大学关于光栅位置检测系统的研究主要集中在高精度母板制造技术,长春光机所主要集中在绝对编码技术,国内对光栅线位移传感器的影响因素及结构优化分析较少。光栅尺的制造误差、温度特性及机械运动精度直接决定了光栅线位移传感器的精度,本文对影响光栅线位移传感器精度的若干因素进行了分析,重点讨论了光栅尺的制造误差和温度特性。
1 测量原理
光栅测量技术基于莫尔条纹原理,即相同的长度内具有相同刻线数的两块光栅做相对运动形成莫尔干涉条纹,光敏元件将光强的变化转化为电信号并经过放大、整形和细分实现位移测量。莫尔条纹是大量栅线共同作用的一个宏观效应,就像是栅线的放大,少数光栅标尺的栅线误差不会影响到测量精度[3]。莫尔条纹的条纹间距与光栅栅距呈线性关系,比例系数为夹角的倒数。图1是莫尔条纹的简化,条纹间距为B。
因两光栅的栅距近似相等,d1=d2=W。
则有:
当夹角极小时:
此公式只针对有微小夹角的情况,当θ≈180°时,不正确[4]。
2 光栅尺的制造误差
光栅线位移传感器的精度首先取决于光栅尺的制造精度和扫描质量,其次才是机械导向误差和电路质量[5]。光栅线位移传感器的误差来源主要包括:光栅尺制造误差、光栅尺稳定性误差、数字化误差、细分误差、机械运动误差和温度误差等。光栅尺的误差主要来源于光栅尺的精密机械加工及刻划工艺;相对运动部分产生的误差难以做定量分析;数字化误差一般为±1个最小数字显示值;细分误差可以通过高频示波器观察波形,记录A、B两相电路电压和相位差的变化,代入公式得出计算结果;温度误差是由温度变化引入的误差。分析误差组成及影响规律,对提高光栅线位移传感器精度有重要意义。
2.1 精密机械加工精度的影响
光栅尺在刻线之前的精密机械加工质量对光栅线纹刻划的质量有极大影响,影响指标是光栅刻线面的平面度和表面粗糙度。下图为光栅尺精密加工的表面质量对扫描质量的影响,当表面过于粗糙时,接收元件无法接收反射光线从而导致读数误差或者丢数。光栅尺的平直度会影响光栅副的间隙,从而影响信号质量。图2为刻线面的精密加工质量对扫描质量的影响图。
图3(a)、3(b)分别是经过精密抛光和不经精密抛光加工时的线纹,明显看出,图3(b)的线纹边缘清晰、陡直,线纹质量较好。
2.2 光栅尺刻划过程误差分析
无论用传统刻划方法还是采用激光束连续加工制造光栅尺,都会受机械传动、数据圆整、环境影响而产生光栅尺加工误差[6],本文只对刻划和检测过程中能做定量分析的因素产生的误差进行分析。刻划过程中主要影响因素是环境中的温度、湿度、气压值的波动对激光波长产生干扰,从而引起的空气折射率的变化,另外是机械系统引入的误差。
2.2.1 刻划过程环境影响
刻划过程的环境误差主要是指刻划空气的温度、湿度和气压值不符合最佳值或者有波动而导致激光波长的误差,这个测量方法有两种:一种是直接测出空气折射率进行补偿,另一种是实时测出环境的温度、气压、湿度值,送入计算机,根据Edlen色散公式对空气折射率进行修正[7~9],并实时补偿:
其中,Δn为空气折射率误差;
t为环境温度℃;
p为大气压mb;
f为湿度hPa。
从上式可知,温度项系数最大,对测量精度影响最大,其次是大气压的影响,湿度的影响较小。温度、气压值、湿度误差主要包括两大方面:仪器测量误差和刻划、检测过程中的波动,在刻划和检测光栅母板过程中,除了保证测量精度外,还要尽量使环境温度波动最小,即保证恒温、恒压、恒湿。
1 ) 温度的测量精度为ΔT1,此误差为系统误差,大小为ΔT1:
刻划过程中温度波动为偶然误差,大小为ΔT2:
则,温度因素引入的总误差为:
2)同上,气压计的测量精度为Δp1 mb,大小为:
刻划过程中气压波动量为偶然误差,其大小为:
总误差:
3) 湿度波动量非常小,仅湿度计的测量误差,此项误差为:
温度、湿度、气压的测量误差对波长修正产生的总误差:
2.2.2 机械系统误差
机械误差主要是指阿贝误差和机械传动系统的误差,主要分析阿贝误差。阿贝误差属于系统误差,是指被测工件和基准件在测量方向上没处在同一直线上而引入的误差包含水平和垂直方向两大部分。假设,水平阿贝误差为δ1- 21,垂直阿贝误差为δ1- 22,则:
则:
3 光栅尺的温度特性
光栅尺的温度特性是指在测量时由于温度变化产生的变形从而导致测量不准确。光栅尺是在20±0.1oC的温度下制造的,使用环境的温度改变会影响光栅尺的精度[4]。为了测出温度对光栅尺精度的影响,我们进行了一系列实验,实验结果如图4所示。
图4为温度对玻璃光栅尺测量精度影响的试验曲线。实验时,采用双频激光干涉仪作为比较基准,测量时,双频激光干涉仪实时采集环境温度、气压和湿度值,并自动补偿。恒温后室内温度值在20±0.5oC,湿度小于70%才能检测。曲线1为等温前的测量精度, 曲线2为等温24小时后的测量精度,其他条件相同,可以看出,等温后的曲线2精度值±1μm之内,未等温的曲线1精度值在0~6μm,即±3μm之间,可见温度不但对光栅尺的刻划精度有较大影响,对其工作时的测量精度也有极大影响。
图3说明了温度对光栅尺精度的影响,在光栅线位移传感器工作过程中,被测工件受温度变化也会发生变形,且不同材料的线膨胀系数不一致:玻璃的线膨胀系数约为8×10-6m/oC/m,铝的线膨胀系数约为23×10-6m/oC/m,而被测工件多为钢,其线膨胀系数约为10~12×10-6m/oC/m,温度变化1oC,就会产生数微米的误差。
为了降低温度变化引入的误差,海德汉、雷尼绍等厂家在读数头里加入了温度补偿电路,这种补偿方法把材料的线膨胀系数当做定值,即把伸长量和温度变化当做线性关系处理。事实上,物体的线膨胀系数随着温度变化而变化,且这种变化不能用一条既定的曲线来表示,所以这种补偿方法可以降低一部分误差,但并不能消除。此外,不同厂家给出的温度补偿系数不同,无法做出准确补偿,以钢件为例,如表1所示。
为了消除温度的影响,应选用与被测工件线膨胀系数接近的材料作为光栅尺的基体材料。国内外相关厂新研制出钢带光栅尺,这种光栅尺体积小,结构简单,但刻线面不易加工,在测量方向上的刚度差,安装时需要专门的安装支撑,且钢带光栅是在钢带上镀一层金,然后腐蚀,这种方法生产的钢带光栅成本较高,刻线不坚固[10],选择与工件线膨胀系数一致的金属基体光栅尺才是消除温度误差最好的办法。相对于玻璃光栅尺来说,金属基体光栅尺温度特性好、综合稳定性好、抗冲击,且光源和接收元件分布在光栅尺的同一侧,可以有效减小光栅线位移传感器的体积。金属光栅尺的制造工艺简单,靠腐蚀工艺刻划线纹,亮线和暗线都为光栅尺基体本身,成本较低,是光栅尺基体材料较好的选择。
4 结束语
提高光栅标尺刻线面的精密加工质量,主要是平面度和表面粗糙度可以大大提高线纹质量;严格控制光栅尺刻划和检测过程中的温度、气压和湿度,并根据Edlen公式进行补偿对于光栅尺线纹质量的提高和光栅尺稳定性有很大影响;选用与工件线膨胀系数一致的材料作为光栅尺基体可以大大提高光栅线位移传感器的温度特性。此外,有研究表明,采用多零位信号可以自动消除大量程光栅尺累积误差[11]。
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光栅位移传感器 篇2
1 双光栅干涉原理
双光栅干涉位移测量系统由激光发生器、双光栅、位移导向机构、光电信号接收与处理电路、细分电路和计数电路组成,如图1所示。下文将主要对双光栅单元进行分析。
1.1 双光栅干涉的基本原理
一束光通过光栅后会发生衍射,光栅衍射为多缝夫琅禾费衍射,多缝夫琅禾费衍射相当于许多单缝夫琅禾费干涉的结果,因此,多缝夫琅禾费衍射的复振幅是所有单缝夫琅禾费衍射复振幅的叠加[3]。
如图2所示,取观察面上的任意一点P,光栅上相邻的两个单缝衍射到P的光程差为[4,5,6]
式中,λ为入射光波长,d为光栅的栅距,θ为衍射角。
多缝在P点产生的复振幅是N个振幅、相邻光程差相等的多束单缝衍射光干涉的结果,由单缝夫琅禾费衍射强度公式得,单缝衍射光的光强大小为。其中,θ为衍射角,a为光栅的缝宽。所以对其积分后得到P点的光强为
其中,为单缝衍射因子;为多缝衍射因子。
当相邻的两个单缝产生的衍射光到P点的光程差为2π的整数倍时,干涉得到的光强最大,即
其中,m为整数,m表示光栅的衍射主极大的级数,不同的级数对应不同的衍射角,式(3)为光栅方程。
平行放置两块衍射光栅,面法矢平行。当一束光经过第一个光栅后会被分束,得到不同级数的衍射光。高级数的衍射光光强极其微弱,可忽略不计。选取能量最大的3级衍射光,即+1级,0级,和-1级。当衍射光束通过第二个光栅后再次被衍射,形成了(+1,-1)、(+1,0)、(+1,-1)、(0,+1)、(0,0)、(0,-1)、(-1,+1)、(-1,0)、(-1,-1)级衍射光。如图3所示,调整两光栅之间的距离,可以让(+1,0)与(0,+1),(+1,-1)与(-1,+1),(-1,0)与(0,-1)级衍射光均可互相发生干涉。
1.2 ZEMAX仿真
为对上述的理论分析进行验证,采用ZEMAX软件对其进行仿真。在ZEMAX中创建非序列组件,此组件中包含4个物体,光源、两个衍射光栅和探测器,如图4所示。光源采用矩形光源,这种光源可以在一定面积的矩形区域发出均匀的光线[7]。双光栅单元的两片光栅设置完全相同,选取-1级到+1级衍射光进行计算仿真,由于0级条纹的能量太大,为防止0级条纹覆盖到干涉条纹,设置-1、0、1能量的百分比分别为50%、0、50%,即不考虑0级衍射光。最后,还需要一个矩形探测器,用于探测干涉场中的能量分布,即光强分布。
设置光源的Z坐标为0,光栅1的Z坐标20,光栅2的Z坐标为25,探测器的Z坐标为60。其他坐标全为0。光源大小为10×10,波长为0.5μm。两光栅的设置完全相同,栅线参数Lines都设为2.0E-003,材料为BK7。探测器大小为20×20,材料为ABSORB。
在探测器查看器(detector viewer)中,设置数据类型(show date)为相干辐照度(coherent irradiance),设置显示(show as)为灰度图(grey scale),得到如图5a所示的明暗相间的干涉条纹。设置显示为列剖面图(cross section column),得到如图5b所示的条纹光强分布。
从图4可以看出,双光栅可以经过干涉得到明暗相间的条纹,且干涉场中的与条纹垂直方向上的光强成三角函数分布。
2 基于角谱理论的干涉光场分析
对于矩形光栅来说,其复振幅透过率展开成傅里叶级数为[9,10]
以光栅的栅线为y轴,光栅的面法矢为z轴,垂直栅线并且平行光栅面方向为x轴,建立坐标系。设光栅G1和G2的栅线方向相同,都沿y轴。此时y方向的光强相等,所以只需考虑x方向上的光场分布。G1和G2的振幅透过率分别为
式中,f1、f2为光栅G1和G2的槽密度;n、m为整数。
由角谱理论可以得知,光场通过光栅衍射屏后,光场复振幅变化表现为
其中,ut为衍射后的复振幅;ui为衍射前的复振幅;t为光栅的复振幅透过率。
式(7)在角域上表现为角谱变化
其中,At、Ai、T分别为ut、ui、t的傅里叶变换,fx,fy为x、y方向上的角频率。
衍射后的光线不经过任何物体,在空气中传播,其角谱传递函数为[3]
即光线从空间一个点传播到另一个点,其角谱变化表达式为
如图6所示,一束光通过两个光栅,经过两次衍射之后,最终在P平面上得到(n,m)级衍射光。在此过程中的各个中间变量满足下面的关系
其中,t1(x)=anexp(j2πnf1x);t2(x)=bmexp(j2π∙mf2x)。
所以有,(n.m)级衍射光的复振幅为:
其中,l1为光栅G1到光栅G2的距离;l2为光栅G2到观察屏P的距离。
当两束衍射光(n,m)和(n′,m′)在P面上发生干涉,干涉得到的光强大小为
从式(18)可以看到,双光栅干涉后的光强变化项为一个余弦函数,所以在P平面上,光强在x轴方向上呈现周期变化分布,在宏观上表现为明暗相间的条纹。
进一步,如果光栅G1沿x轴方向相对于光栅G2运动Δx时,光栅G1的复振幅透射率变为t1=∑anexp[j2πnf1(x1+Δx)],光栅G2的复振幅透射率不变。
此时,(n,m)光束在观察面上的复振幅为
当两束衍射光(n,m)和(n′,m′)在P面上发生干涉,干涉得到的光强大小为
从式(20)可以得到,当两块光栅G1、G2发生相对平移时,干涉条纹随之发生移动,而且当两块光栅G1、G2相对移动一个光栅常数的时候,干涉条纹随之移动一个条纹周期。由此,获取双光栅干涉条纹进行辨向、细分、计数,即可实现位移测量。
3 位移传感器的误差分析
上述的理论推导,是以双光栅干涉位移传感器要求两光栅的面法矢平行,栅线方向相同为前提的。然而实际使用中存在一些误差因素,如双光栅之间的安装误差、光栅的制造误差。这些误差因素可能会对干涉输出有一定的影响[11]。下面对其进行讨论。
3.1 安装误差对双光栅输出的影响
当光栅G1的面法矢和光栅G2的面法矢不平行,假设光栅G1与光栅G2在绕y轴上存在一个偏角α,如图7所示,此时光栅G1的复振幅透射率函数变
为,光栅G2的透射率不变。用同样的方法可以计算得到,此时,通过两个光栅后的(n,m)级衍射光的复振幅为
所以,(n,m)级衍射光和(n′,m′)级衍射光干涉光强为
其中,ϕ=φnm-φn'm'。
比较式(18)和式(23)可以发现,当存在绕y轴的偏角α时,干涉场中的光强函数的余弦部分的周期和初相位都发生了改变。同样,光栅G1在沿直线y=0;x=-z tanα方向移动一个光栅距离时,干涉条纹也对应着移动一个周期。所以,光栅G1沿x轴方向移动一个光栅距离,干涉条纹移动个周期。双光栅干涉位移传感器通过对干涉条纹移动的周期数的计数来计量位移量,所以在这种情况下,测量值比实际值大,且误差大小与成正比。所以在光栅安装中,应尽量保证α足够小。
假设光栅G1与光栅G2在绕x轴上存在一个偏角β,如图8所示。此时,光栅场中的光强在y轴方向上并不相等,即条纹不和y轴平行。干涉场中计算y=0时的光强
且在观察面P上,沿直线光强相等。
比较式(18)和式(24)可以发现,当存在绕x轴的偏角β时,干涉场中的光强函数的余弦部分的初相位也发生了改变,周期不变。当光栅G1沿x轴方向移动移动一个光栅距离,干涉条纹也移动一个周期。这种情况下,测量误差在一个光栅距离之内。
3.2 制造误差对双光栅输出的影响
光栅的制造误差主要变现在槽宽、光栅距离、槽的截面形状以及栅线的直线度上。
从式(18)不难看出,槽宽误差对传感器没有影响,而由于传感器的测量值等于条纹移动数与光栅距离的乘积,所以光栅距离的误差与传感器的误差成正比关系,应控制好光栅距离误差。槽的截面形状以及栅线的直线度因具体情况而定,模型比较复杂,此处不做讨论。
4 结论
通过详细的理论推导发现,光线经过两个光栅衍射后,可以发生干涉得到间距相等的明暗相间的条纹,这个结果通过光学软件ZEMAX仿真得到了验证。该理论用于测量位移切实可行。基于角谱理论分析得到了干涉场的光强理论值。并且当两光栅绕x、y轴存在偏角时,干涉场中的光强分布发生变化,其中x轴上的偏角误差对传感器的测量影响较大,为y轴上的偏角误差影响较小,影响值在一个光栅距离之内。当光栅的光栅距离存在误差时,传感器的测量误差与其成线性关系,影响较大。而槽宽误差对测量结果并无影响,但是槽宽大小关系着干涉场中的整体光强大小,所以不应偏离太多。
摘要：双光栅干涉位移传感器拥有量程大、精度高等优点。文中详细阐述了传感器的测量原理,并对此理论原理进行ZE MAX软件仿真。与此同时,基于角谱理论推导得到干涉场中的光强分布。结果表明,激光通过双光栅后可以得到三角函数分布的干涉条纹,且双光栅相对移动一个光栅距离时条纹相应移动一个周期。最后分析了对双光栅传感器位移测量结果可能带来误差的因素,以及这些因素对测量结果的影响,文中给出了部分因素的误差表达式。
关键词：双光栅干涉,位移测量,ZEMAX仿真,误差分析
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光栅位移传感器 篇3
关键词：位移传感器,玻璃基板,测厚
0 引言
液晶玻璃基板是TFT-LCD的关键上游材料。玻璃基板的厚度变化量(同一片玻璃基板在要求间距范围内最厚和最薄处的差值,也称厚薄差)为品质的一项重要指标,它决定着TFT-LCD制程中多道工序的良率,是首先被下游客户要求的。然而,随着技术的进步,玻璃基板变得越来越薄,目前市场主流的玻璃基板厚度已从0.5mm过渡到0.3mm。同时,显示分辨率的大幅提升也提高了对厚度变化量指标的要求。这都进一步加大了在线测厚系统的设计难度。
作为玻璃基板生产厂家,厚度的测量是重要的品质保证手段。实际生产中的测量要求是:适用于0.3mm~0.5mm厚度玻璃基板的测量;在生产节拍内完成在线测量;在非流向方向间隔5mm采样;测量精度要求优于0.005mm。关键问题就是快速的、高精度的采样测量。
目前,生产厂家厚度的测量方式,较为普遍的采用离线方式,人工利用千分尺测量。对于自动测厚技术的研究,已有不少人做了大量的研究工作。究其原理,可分为激光三角法测量[1~6],干涉法测量[7~10]。其中,激光三角法也延伸出了透射法[11]、反射法[2~6]两大类。反射法中也可改进形成一种自动补偿玻璃板上下表面倾斜的单像机双目视觉传感器模型[12],以及利用成对的系统测量上下表面位移进而计算出目标厚度的方法[13]。
为了设计一种适用于液晶玻璃基板的在线测厚系统,我们对上述自动测厚的方法进行分析后,首先因干涉法测量更加适用于厚度小于0.1mm,精度在微米以下的测量,排除了干涉法测量的系统,选择了激光三角法测厚原理。文献[1~6]中的研究,采用的是线形激光器、光学透镜、CCD摄像机的组合方式。而我们考虑到批量制造的需要,选择了市场上成熟的产品,SICK公司OD5-30T05型传感器,其原理与文献[1~6]中所述的系统是一样的。在此基础上设计了一型在线测厚仪,陆续制造并实际使用了数台。使用中发现,这种方法在被测玻璃基板极其稳定时精度很好。然而,在线测量的玻璃基板是难以达到极其稳定的状态的,必然会伴随翘曲、晃动等现象,这些现象对测量精度的影响很大。为此,我们设计了玻璃基板夹持机构[14],以及改进的随动测量系统[15],效果有所提高,然并未根本上解决问题。
因此,实际的生产,迫切的需要我们开发一种新型的在线测厚系统,满足品质保证的需要。
1 测厚系统原理
设计思想是重点解决玻璃基板翘曲和晃动时对测量精度的影响。通过分析,我们发现,玻璃基板翘曲和晃动时,影响测量精度的原因在于,玻璃基板表面与入射激光的角度变化,造成折射后光线角度的偏移。这与最初标定的参数有了偏差,进而影响了测量结果。这是激光三角法测量原理本身决定的,在文献[12]中也有所提及。其解决方法相对复杂,不利于我们批量化的制造。
我们参考了采用成对激光位移传感器进行厚度测量的原理[13],采用相同的原理,但将传感器改成光栅尺型位移传感器。传感器触头采用气压驱动,可有效的夹紧玻璃基板表面。在玻璃基板发生翘曲和晃动时,仍可紧贴表面,两只传感器相互补偿偏移量,可大幅的提升测量精度。同时,因为是机械接触式测量,玻璃基板的翘曲和晃动的影响,得到了很好的解决。
对于采样间隔5mm的要求,采用了玻璃基板在线输送,而传感器静止扫描的方式。开始测量时,两只传感器处于打开状态,在玻璃基板一条边缘进入后,由伺服电机带动传感器夹紧玻璃基板,完成扫描采样。采样间隔的控制采用了外部触发的方式。在玻璃基板传送装置上安装一个编码器,由计数器累计编码器脉冲后,触发电脑的外部中断,与传感器通信采样一次。
系统的控制,需要控制一台伺服电机、两个导向装置的夹紧气缸,以及两个对上位机的触发信号,采用一台小型PLC实现。
上位机软件系统主要包括数据库模块、传感器通信模块、数据和曲线显示模块、自检模块和日志记录模块。完成玻璃基板的采样、测量记录入数据库,并完成数据和曲线的显示,并上传至车间的MES系统中的功能。
2 测厚系统零部件选型和设计
经过市场调查和对比,最终采用KEYENCE公司GT2型位移传感器,如图1所示。测量量程12mm,分辨率0.1um,测量精度1mm,气压驱动探头。
夹持机构的设计,包括必要的导向机构。采用一条双螺旋丝杠,由伺服电机带动,完成传感器的夹紧和松开动作。
在玻璃基板传送带的某根辊轮轴上,安装增量型编码器。实际选用欧姆龙E6B2-C型,集电极开路输出,分辨率2000p/r,以及H7CX转速表/计数器。采样间隔的与计数脉冲由式(1)决定。
其中:
P为计数脉冲个数;
S为需要的采样间隔;
D为玻璃基板传送带辊轮直径。
传感器与上位电脑的通信,采用的是KEYENCE公司的DL-RS1A通信模块(如图2,图3所示),带外部触发点,可与计数器配合,完成外部触发。在参数设定完毕后,当玻璃基板传送带辊轮旋转带动玻璃基板移动采用间隔的位移时,编码器发出的脉冲数与计数器设定数一致,则计数器发送一个10ms的低电平至DL-RS1A通信模块外部触发端口(图3中SG、DRQ)。通信模块则将传感器的测量结果通过RS232串口发送至上位机。整个外部触发/采样系统如图4所示。
上位工控机采用C++ Builder2010开发测厚系统软件,基于SQL Server数据库。软件主界面如图5所示。
上位机软件系统主要包括数据库模块、传感器通信模块、数据和曲线显示模块、自检模块和日志记录模块。完成玻璃基板的采样、测量记录入数据库,并完成数据和曲线的显示,并上传至车间的MES系统中的功能。数据库模块基于SQL Server建立,完成数据的记录,并通过网络功能上传至车间的MES系统,基于C++ Builder自带的ADO控件完成。传感器通信模块基于MSComm控件,完成串口的读写,并实时发送询问信号至传感器监测通信是否正常。曲线显示模块通过TBitmap类实现,后台完成曲线绘制后再显示到屏幕上,提高刷新速度和显示效果。PLC通信模块基于MITSUBISH的MX+Component控件实现,底层采用以太网通信。
3 实际应用
截至目前,已陆续制造8台该系统,并应用于生产线。累计测量玻璃基板已超过50万片。系统运行稳定,测量精度和速度能够满足要求。同时,实践证明,在玻璃基板发生翘曲和晃动时,系统仍然具有较好的测量精度。该系统已申请实用新型专利一项[16]。
4 结论
光电池在光栅位移检测中的应用 篇4
关键词：光电池,光栅,脉冲计数,分辨率
在贴片机伺服控制系统中,常用长光栅来测量直线位移,实现闭环控制,保证定位精度。光栅尺制造过程中,可运用激光测长技术制造出高精度的光栅尺,从而提高光栅测量的分辨率,但仍未必能够满足伺服控制系统所需的控制精度和定位要求。本文基于光电池的输出特性的研究,提出了一种将光电池单体串联或并联成阵列结构,形成光电池组,通过位移——脉冲细分转换电路,提高光栅检测装置读数分辨率,从而实现高精度的加工控制及定位的方法。
1 光电池的工作原理及其特性
1.1 光电池的工作原理
光照改变半导体PN结电场,从而引起PN结电势的变化效应,称PN结光电效应。光电池的核心部分是一个PN结,它是一种根据光生伏特效应制成的直接把光能转变成电能的光电器件。(图1)
当光照射到PN结上时,如果光子能量足够大(光子能量hν大于硅的禁带宽度Eg),就将在PN结附近激发出大量的光生电子—空穴对。在PN结内电场作用下,N区的光生空穴被拉向P区,P区的光生电子被拉向N区;其结果在P区聚积正电荷,带正电,为光电池的正极,在N区聚积负电荷,带负电,为光电池的负极,即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差,称为光生电动势。
1.2 光电池伏安特性
一个光电池单元可以等效于一个电流源(光生电流)Ip和一个普通二极管的并联。普通二极管包括扩散电流(正向电流)Id、结电阻Rsh、结电容Cj及串联电阻sR。一般,Rsh很大且极小sR,忽略二者的影响,光电池的等效电路可简化为图2所示。
PN结光电池的伏安特性曲线在无光照时与普通半导体二极管相同。普通二极管的伏安特性为:Id=I0(ee U/k T-1),当光电池受光照时,流经PN结外电路的总电流为扩散电流Id与光生电流Ip之差,用下式表示为:
当光电池输出端开路(LR→∞)时的开路电压为:
当光电流输出端短路(LR=0)时的短路电流为:
式中,k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,e为电子电荷量,E为光照强度,S为光电灵敏度。
从公式(2)和(3)可以看出,不同光照度下,光生电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系;开路电压与光照度是非线性的。(图3)
2 光栅检测装置的结构及工作原理
光栅尺是利用光的透射现象制成的光电检测元件,可将机械位移转变为数字脉冲,由于检测精度比较高,常用作位置检测反馈元件。本文以增量式光栅尺在动臂式贴片机X-Y平面运动控制系统中的应用为例,介绍光栅位移检测的原理。光栅检测装置的结构示意图如图4所示。
光栅检测装置大致由六个部分组成其中光源、透镜、指示光栅、光电池和驱动电路都安装在同一支架(即贴片头支架)上构成光栅读数头,标尺光栅则固定安装在贴片机机架上,并且指示光栅与标尺光栅尺面应相互平行,保持适当的间隙。其工作原理为:当贴片头移动时,装载于贴片头上的指示光栅相对标尺光栅移动,通过光栅读数头的光电转换,发送出与位移量相对应的数字脉冲作为实际位移信息,反馈给运动控制器,形成闭环控制回路,从而实现高精度的定位。
3 位移——脉冲变换电路
虽然在光栅尺制造过程中,可利用激光测长等技术来缩小栅距,制造出高精度的光栅,但仍未必能够满足系统的伺服控制要求。因而,希望通过电子细分电路来提高光栅检测的分辨率。具体实现方式如在图4所示,在与标尺光栅刻线平行的方向上安装有四块光电池,分别标记为P1~P4,它们彼此间隔四分之一个栅距。当指示光栅与标尺光栅相对移动时,四块光电池接受近似正弦规律变化的光强,产生出四路频率、幅值相同,但相位互差π/2的电压信号。将这些信号送至光栅读头中的细分变换电路,经差动放大后,形成两路方波信号(A和B)。为了能够在方波信号的一个周期内获得4个等间隔分布的脉冲信号,需要对方波A和B进行处理。首先将方波A和B反相,得到方波C和D,再将这四路方波经微分电路处理(在方波的上升沿或下降沿产生脉冲信号),然后再经过逻辑组合电路便可得到满足上述要求的脉冲信号。
为了辨别贴片头的移动方向(即正向或方向),可将4路方波(A、B、C、D)和4个脉冲(A'、B'、C'、D')经逻辑组合电路进行方向判别。当贴片头带动指示光栅正向移动时,通过与门G1~G4和或门Y1得到正向运行脉冲(A'B+B'C+C'D+D'A)输出。同样,当其反向移动时,通过与门G5~G8和或门Y2得到反向运行脉冲(A'D+B'A+C'B+D'C)输出。这样指示光栅与标尺光栅每相对移动一个栅距W,经细分转换装置便可发出四个脉冲信号,每个脉冲表示贴片头移动四分之一个栅距位移。这样,采用如图5所示的细分转换电路,光栅检测装置的实际分辨率较栅距的分辨率提高了4倍。依次类推,采用多块光电池串联或并联,并设置好合适的间隔,便可进一步提高光栅检测装置的读数分辨率。图6为光栅检测转置的输出脉冲波形图,清晰地表示出了贴片头带动指示光栅相对于标尺光栅正反向移动时细分转换电路的输出波形。
4 结语
根据光电池的输出特性,可将光电池单体在与标尺光栅刻线平行的方向上间隔合适的栅距,串联或并联成阵列结构,形成光电池组,通过位移——脉冲细分转换电路,可提高光栅检测装置的读数分辨率,从而能够实现高精度的加工控制及定位。这在数控机床、贴片机等精度要求很高的伺服系统中有着广泛的应用价值。
参考文献
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