第7章_光栅传感器ppt课件.ppt

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1、传感器原理及应用第七章光栅传感器9/6/2021传感器原理及应用7.1光栅基础1.光栅的结构光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。栅线——光栅上的刻线，宽度a缝隙宽度b栅距w=a+b（也称光栅常数）9/6/2021传感器原理及应用2、分类按原理和用途：物理光栅和计量光栅物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。9/6/2021传感器原理及应用2、

2、分类按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。9/6/2021传感器原理及应用2、分类按应用类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移9/6/2021传感器原理及应用构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅长度---测量范围；

3、刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)9/6/2021传感器原理及应用圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.9/6/2021传感器原理及应用栅距栅线宽度缝隙宽度栅距角9/6/2021传感器原理及应用圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切;环形光栅:一簇等间距同心圆组成.若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。9/6/2021传感器原理及应用9/6/2021传感器原

4、理及应用3.莫尔条纹1).莫尔条纹的形成及其特征当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。9/6/2021传感器原理及应用莫尔条纹演示9/6/2021传感器原理及应用长光栅横向莫尔条纹9/6/2021传感器原理及应用横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角θ很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0，且两光栅栅距不等

5、时产生的莫尔条纹。光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0,且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。9/6/2021传感器原理及应用横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹9/6/2021传感器原理及应用2)莫尔条纹的特征①、位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系为：B9/6/2021传感器原理及应用结论：θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm时θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad则：B=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：9/6/202

6、1传感器原理及应用②、运动对应关系通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数i和角度θ一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比，即：9/6/2021传感器原理及应用③误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。9/6/2021传感器原理及应用工作原理：利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：

7、光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。特点：数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自动化测量。7.2光栅传感器的工作原理9/6/2021传感器原理及应用一、光电转换原理1－光源；2－聚光镜；3－光栅主尺；4－指示光栅；5－光敏元件；6－莫尔条纹；7－光强分布9/6/2021传感器原理及应用光闸莫尔条纹光电转换原理理想情况：三角形9/6/202

8、1传感器原理及应用二、光闸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,电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：直流分量交流分量光栅相对位移量9/6/2021传感器原理及应用当波形重复到原来的相位和幅值时,相当于光栅移动了