4.5光栅传感器

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1、4.5光栅传感器五邑大学信息工程学院1光栅传感器2信息工程学院光栅传感器3信息工程学院机床配置光栅尺，4轴移动(X,Y,Z,W)；用于各种材质大型工件加工,如铸铁,铸钢,及不锈钢；在铣、镗、铰和螺纹操作方面有着广泛技术应用。4信息工程学院莫尔条纹演示5信息工程学院待解决问题什么是光栅？如何利用光栅测量位移？光栅传感器的结构及相关技术？6信息工程学院定义：指有按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光（反射）的光学元件。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。常用的光栅每毫米刻10、25、50、100、250条线条。透射光栅示意图问题1什么是光栅？7信息工程学院4.5光栅传感

2、器4.5.1莫尔条纹形成的原理4.5.2莫尔条纹技术的特点4.5.3光栅的光路4.5.4光栅传感器的结构4.5.5辨向原理4.5.6细分技术8信息工程学院4.5.1莫尔条纹形成的原理在aa’线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成；在bb’线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案构成。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。9信息工程学院横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数W与光栅夹角决定10信息工程学院4.5.2莫尔条纹技术的特点调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了

3、测量精度。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为光栅移动一个栅距W时，莫尔条纹也移动一个BH；如果光栅作反向移动，条纹移动方向也反向。11信息工程学院θ越小，BH越大，相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如：θ=0.1°，则1/θ≈573。即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍。说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。12信息工程学院例1：某光栅每毫米刻线100条，光学放大倍数为1000，当光栅移动一个栅距时，就移动一个莫尔条纹，问产生的莫尔条纹有多宽？10mm答案莫尔条纹光学放大作用举例13信息工程学院莫尔条纹光学放大作用举例例2：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与

4、指示光栅的夹角=1.8，W和BH分别为多少，意义何在？解：1：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m由于栅距很小，因此无法观察光强的变化。2：莫尔条纹的宽度约是栅距的32倍：BH≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。14信息工程学院特例：当=0,w1=w2→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2→纵向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹15信息工程学院（1）横向莫尔条纹当两光栅栅距相等W1＝W2=W时，以夹角θ相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。（

5、2）光闸莫尔条纹当W1=W2=W，且θ=0时，莫尔条纹的宽度趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。两光栅相对移过一个栅距，视场上亮度明暗变化一次。上述两种莫尔条纹在长光栅中应用最多。此外，在W1W2的条件下，若θ=0，得到纵向莫尔条纹；若θ0，得到斜向莫尔条纹。这二者极少应用。16信息工程学院从图看出：两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。问题2：如何利用光栅测量位移？17信息工程学院光栅位移与光强、输出电压的关系18信息工程学院结论：主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。若用光电

6、元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数：式中：uo——光电元件输出的电压信号；Uo——输出信号中的平均直流分量；Um——输出信号中正弦交流分量的幅值。19信息工程学院由式可见，输出电压反映了位移量的大小。当位移量变化一个栅距W时，其输出U变化一个周期，若对输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的。20信息工程学院例3：试画出光电器件产生电信号的波形图21信息工程学院径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。22信息工程学院播放

7、中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画两块径向光栅---栅距角相同/不大偏心量23信息工程学院特例1、光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）播放动画播放中……24信息工程学院2、环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示两块环形光栅（相同）---栅线相对25信息工程学院单击准备演示3、辐射形莫尔条纹播放动画两块环形光栅（相同）---不大的偏心量26信息工程学院透射式圆光栅固定27信息工程学院用两个圆光栅组成角度或角位移传感器时