位移检测传感器之光栅传感器

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1、第三节大位移检测传感器二、光栅位移传感器1二、光栅式位移传感器光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。2光栅式位移传感器的分类1测量线位移的长光栅2测量角位移的圆光栅3长光栅圆光栅4由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。莫尔条纹5光栅结构放大图6长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同

2、的均匀密集的平行细线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图a-a线），而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带（b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹。条纹方向与刻线方向近似垂直。莫尔条纹7根据莫尔条纹效应设计光栅传感器。莫尔条纹8若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有莫尔条纹这里θ是弧度，如果夹角为0.10，则θ=0.1/180*π,则BH=

3、573W,相当于把栅距放大了573倍。9——运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。——莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；——莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为BH=W/θ,θ越小，则BH越大。这相当于把栅距W放大了1/θ倍。如对于25线/mm长光栅而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，则BH=2.5mm(这样，可把肉眼看不见的光栅位

4、移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量)莫尔条纹有如下特点10——当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。其电压为：莫尔条纹有如下特点11——莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。莫尔条纹有如下特点——莫

5、尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即移过100x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过的莫尔条纹也是100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。12当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。查看莫尔条纹的上下移

6、动方向，即可确定主光栅左右移动方向.莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。1.长光栅位移传感器的工作原理13在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条/mm或更密，栅线长度一般为6～1

7、2mm。2.长光栅位移传感器14光栅的构造：152.长光栅位移传感器根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。16由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相同，常采用的光学系统有：(1)透射式光路(2)反射式光路3.光学系统17（1）透射式光路光源5发出的光线经准直透镜4变成平行光，入射到指示光栅3上，经过指示光栅3和标尺光栅2，再透射到光敏元件1上。一般标尺光栅固定不动，而光源、指

8、示光栅和光敏元件固定在被测位移体上，莫尔条纹的移动信号被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。18透射式光栅19（2）反射式光路光源1发出的光线经聚光镜2