1、第第10章：光栅传感器章：光栅传感器光栅传感器光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置称为光栅 传感器。光栅传感器的优点：光栅传感器的优点：高精度、高分辨率和大动态范围，因而 广泛应用于静态测量、动态测量和自动 化等领域。一、光栅基础知识一、光栅基础知识（一）、光栅分类及结构光栅分类及结构l l1、光栅分类、光栅分类 l l按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。l l按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。l l按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑 白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。l l按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。l l目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新
2、型光栅 2、光栅的结构、光栅的结构l l所谓光栅，所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。所组成的光学器件称为光栅。l l圆光栅有三种形式：一种圆光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长是径向光，其栅线的延长线通过圆心；线通过圆心；第二种第二种是切线光栅，其栅线的延长线与是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种第三种是环形光栅，是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。其栅线为一簇等间距同心圆。（二）莫尔条纹原理与特点（二）莫尔条纹原理与特点 l l莫尔条纹具有三个特点：莫尔条纹
3、具有三个特点：l l1 1、莫尔条纹具有位移放、莫尔条纹具有位移放、莫尔条纹具有位移放、莫尔条纹具有位移放 大作用大作用大作用大作用l l2 2、莫尔条纹移动与光栅、莫尔条纹移动与光栅、莫尔条纹移动与光栅、莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系移动的对应关系移动的对应关系移动的对应关系l l3 3、误差减小作用、误差减小作用、误差减小作用、误差减小作用l l莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。l l莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的。成的。二、光栅传感器的工作原理光栅传感器
4、的工作原理l l（一）光电转换原理（一）光电转换原理（一）光电转换原理（一）光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构：光栅传感器的光电转换系统结构：光栅传感器的光电转换系统结构：光栅传感器的光电转换系统结构：1 1、光源，、光源，、光源，、光源，2 2、聚光镜，、聚光镜，、聚光镜，、聚光镜，3 3、主光栅（又称标尺光栅），、主光栅（又称标尺光栅），、主光栅（又称标尺光栅），、主光栅（又称标尺光栅），4 4、指示光栅，、指示光栅，、指示光栅，、指示光栅，5 5光敏元件，如图光敏元件，如图光敏元件，如图光敏元件，如图104104（a a）所）所）所）所示。示。示。示。（二）（二）莫尔条纹测量位移
5、原理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，电信号则变化一个周期。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。（三）（三）辨向原理辨向原理l l如图如图105105所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差亮度变化规律完全一样，相位相差/2/2。滞后还是。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。方向的方法称为位
6、置细分辨向原理。三、莫尔条纹细分技术三、莫尔条纹细分技术 l l（一）细分方法：（一）细分方法：l l1、增加光栅刻度密度。、增加光栅刻度密度。l l2、对电信号进行电子细分。把一个周期变、对电信号进行电子细分。把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。和锁相细分等。l l3、机械和光学细分。、机械和光学细分。（二）直接细分（二）直接细分 l l直接细分法的优点是对莫尔直接细分法的优点是对莫尔条纹
7、信号波形无严格要求，条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点是光电元态测量系统。缺点是光电元件安放困难，因而细分不能件安放困难，因而细分不能过高。过高。（三）（三）电位器桥细分电位器桥细分 l l 为了得到较高的细分数，将直接为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为细分得到的四个相位差为/2/2的正弦的正弦交流信号交流信号UmSinUmSin、UmCosUmCos、-UmSinUmSin、-UmCosUmCos（=2X/=2X/）输）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行入到电位器桥，电位器桥常用于进行12126060（为（为4 4 的整倍
8、数）细分，如图的整倍数）细分，如图107107所示。所示。一种用于48细分的电位器电桥细分电路如图108所示。四、四、光栅传感器的误差光栅传感器的误差 l l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要纹的情况下使用。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。l l长光栅栅距误差一般为微米（m）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。五、常用光学系统（一）常用光学系统五、常用光学系统（一）常用光学系统l l 1 1、透射直读式光路、透射直读式光路、透射直读式光路、透射直读式光路一般的透射式光路如图一般的透射式光路如图10109 9（a a）所示。光源）所示
9、光源1 1发射的发射的光经准直透镜光经准直透镜2 2变成平行光变成平行光束，垂直投射到主光栅束，垂直投射到主光栅3 3上，上，它和指示光栅它和指示光栅4 4形成的莫尔形成的莫尔条纹信号直接由光电元件条纹信号直接由光电元件5 5接收。接收。图1010所示为数控机床中的小型光栅式传感器 2、反射直读式光路、反射直读式光路l l如图1011所示。光源6经聚光镜5成平行光束以一定的角度通过场镜3射向指示光栅2，莫尔条纹是由主光栅1反射回来的光线与指示光栅2作用形成的，经反射镜4反射后由物镜7成象被硅光电池8接收。（二）（二）（二）（二）分光式光分光式光分光式光分光式光学系统学系统学系统学系统l l光
10、源光源1 1发出的光经聚光镜发出的光经聚光镜2 2变成平行光投射到光栅副变成平行光投射到光栅副3 3、4 4上，经衍上，经衍射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜6 6将与光轴平行的某将与光轴平行的某r r级级组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件8 8上，用光阑上，用光阑7 7挡住会挡住会聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑7 7有一条窄缝，其方向有一条窄缝，其方向平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限制光电元件
11、接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，会聚于光电元件会聚于光电元件8 8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔条纹信号实现测量。条纹信号实现测量。l l图图1013 1013 为四分透镜分光式电路。为四分透镜分光式电路。1 1、透射分、透射分、透射分、透射分光式光学光式光学光式光学光式光学系统系统系统系统图图图图10121012所示所示所示所示 ：2、反射分光式反射分光式光学系统光学系统l l图图10141014所示所示 ：光源：光源1 1发出的发出的光经准直透镜光经准直透镜2 2变成平行
12、光束变成平行光束垂直入射到分光棱镜垂直入射到分光棱镜3 3，经过，经过半透分光面时被分成半透分光面时被分成CDCD、CECE两束光线射到闪耀光栅两束光线射到闪耀光栅4 4的的A A、B B两点。闪耀光栅具有等腰三两点。闪耀光栅具有等腰三角形线槽。使光栅在自准状态角形线槽。使光栅在自准状态下工作，即光束垂直投射到线下工作，即光束垂直投射到线槽面时，由物理光学可知，最槽面时，由物理光学可知，最大强度的衍射光将沿原路反射大强度的衍射光将沿原路反射回分光棱镜回分光棱镜3 3。这样，由。这样，由A A、B B两处返回的两路衍射光经分光两处返回的两路衍射光经分光棱镜棱镜3 3都投射到透镜都投射到透镜5 5
13、这两。这两路衍射光是相干的，相遇后发路衍射光是相干的，相遇后发生干涉，产生的条纹图象经透生干涉，产生的条纹图象经透镜镜5 5由光电元件由光电元件6 6接收。接收。六、光栅传感器设计要点六、光栅传感器设计要点l设计光栅传感器的要求：能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的干扰不敏感；干扰不敏感；能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号；能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号；工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易；工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易；在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易在满足精度要求的前提下，
14、尽量使结构简单，制造容易若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简化电路。化电路。l光栅传感器组成：照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。（一）（一）照明系统照明系统l l照明系统主要由光源和透镜组成，有时需要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照明光束。1、光源的选择、光源的选择光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种单色光源有激光、汞灯等，普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡，2、准直透镜参数的确定、准直透镜参数的确定l l透镜的通光口径透镜的通光口径透镜的
15、通光口径透镜的通光口径 l l透镜的型式和焦距透镜的型式和焦距透镜的型式和焦距透镜的型式和焦距 栅距较大，而光栅间栅距较大，而光栅间间隙较小时，常采用单片间隙较小时，常采用单片平凸透镜，并使平面朝向平凸透镜，并使平面朝向灯丝以减小象差。灯丝以减小象差。在大间隙时，为减小象在大间隙时，为减小象差，特别是色差，应采用差，特别是色差，应采用双片平凸透镜，并使两者双片平凸透镜，并使两者的平面都朝向灯丝，或者的平面都朝向灯丝，或者用消象差的双胶合透镜。用消象差的双胶合透镜。（二）（二）光栅副光栅副l l1 1、主光栅、主光栅、主光栅、主光栅l l材料的选择材料的选择材料的选择材料的选择 制作光栅的材料有
16、玻璃和金属两类。制作光栅的材料有玻璃和金属两类。l l栅距的选择栅距的选择栅距的选择栅距的选择 l l栅线线宽和长度的选择栅线线宽和长度的选择栅线线宽和长度的选择栅线线宽和长度的选择 l l2 2、指示光栅、指示光栅、指示光栅、指示光栅l l指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况外，都和主光栅的栅距相等。指示光栅的直径同准外，都和主光栅的栅距相等。指示光栅的直径同准直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元件的尺寸确定。件的尺寸确定。（三）（三）光电接收元件光电接收元件 l l1、硅光电池、硅光电池 硅光电池工作面积大，不需外加电源。受光照面为正极，背面为负极，结构为一薄片，体积不大，外形有方形和圆形两种。l l2、光电二极管、光电二极管 光电二极管在电路中反向工作。光电二极管有方形的，圆形的，也有光电二极管组合件，它是将十几个管子做成一体。l l3、光电三极管、光电三极管 光电三极管的电流灵敏度高，其稳定性也不如光电二极管。光电三极管也有组合件。
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