光栅式传感器课件.ppt

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1、Chapter6数字传感器6.2光栅传感器GratingSensor传感器原理及实验6.2光栅传感器在一百多年前，人们就开始利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方面，本世纪50年代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。物理光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长。计量光栅：利用光的莫尔条纹现象测量精密位移。回顾——位移量测量电阻式电位器应变式电感式差动电感式差动变压器电容式变极距式变面积式电涡流式电涡流测微移霍尔器件霍尔位移传感器量程几

2、微米几百毫米精度0.1%1.0%？大量程高精度模拟式传感器回顾——位移量测量数字式位移传感器编码器光栅？大量程高精度脉冲数字式传感器6.2光栅传感器6.2.1光栅传感器的结构原理6.2.2莫尔条纹形成的原理及特点6.2.3光栅的光路6.2.4辨向原理6.2.5细分技术6.2.6应用长度计数控机床桥梁健康检测系统6.2光栅传感器1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，

3、进入商品市场。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。6.2.1光栅传感器的结构原理按光栅的形状和用途分为：长光栅——线位移分辨率0.0010.1μm；测量范围米。圆光栅——角位移角度分辨率0.01″6.2.1光栅传感器的结构原理光栅副是光栅传感器的主要部分。主光栅(标尺光删)指示光栅标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。光栅由光源、透

4、镜、光栅副和光电接收元件组成。图1光栅传感器构成6.2.1光栅传感器的结构原理图2扫描光栅传感器构成1.光源钨丝灯泡发光二极管1.光源用钨丝灯泡，它有较大的输出功率，较宽的工作范围为一400ºC130ºC，但是它与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低，因此，必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。1.光源半导体发光器件近年来发展很快，如砷化镓发光二极管可以在-66ºC100ºC的温度下工作，发出的光为近似红外光(9194)，接近硅光敏三极管的敏感波

5、长。虽然砷化镓发光二极管的输出功率比钨丝灯泡低，但是它是与硅光敏三极管相结合，有很高的转换效率，最高可达30％左右。此外砷化镓发光二极管的脉冲响应时间约为几十纳秒，与光敏三极管组合可得到的响应速度。这种快速的响应特征，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。2.光电元件光电池光敏三极管2.光电元件光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响

6、。3.光栅副光栅副是光栅传感器的核心部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条，如图3所示。图3黑白透射光栅示意图(a)主光栅(b)指示光栅3.光栅副a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数)。两光栅之间的缝隙0.020.035mm。通常情况，a=b=w/2，也可以做成a:b=1.1:0.9。刻线密度一般为每毫米(10、25、50、1000)线。6.2.2莫尔条纹形成的原理及特点莫尔

7、条纹（Moirefringes）1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出莫尔条纹这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂

8、直，故又称横向莫尔条纹。1.莫尔条纹的形成原理图4莫尔条纹形成原理1.莫尔条纹的形成原理当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用标尺光栅相对于指示光栅数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。(1)长光栅莫尔条纹播放动画(2)长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放中……(3)圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画(4)光闸莫尔条纹播放动画播放中……1.莫尔条纹的形成原理由图5可见，在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，