第4章 第4.补2 光栅传感器.ppt

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1、4.4.3光栅式传感器一、光栅传感器的结构和分类二、莫尔条纹形成的原理三、辨向及细分原理四、光栅传感器的应用光栅传感器1.结构透明玻璃上刻平行等宽又等间距的条纹a-线宽（透光），b-缝宽(不透光)W=a+b（栅距），a=b=W/22.分类物理光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移反射光栅：透射光栅：在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹形成在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成实际应用中，计量光栅又分为：（按照光源照射方法）一、光栅传感器的结构与分类按检测位移性质分长光栅：用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行。圆光栅：用于测量角度或角位

2、移，在圆盘上刻线。一、光栅传感器的结构与分类数控机床上用计量光栅。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。尺身尺身安装孔扫描头（与移动部件固定）可移动电缆一、光栅传感器的结构与类型反射式光栅透射式光栅透射式圆光栅固定透射光栅的结构在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则ω＝a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。主光栅，是测量的基准，另一块光栅为指示光栅，在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅

3、随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光敏晶体管。一、光栅传感器的结构与分类3.光栅传感器的组成莫尔条纹光栅副：指示光栅＋主光栅（标尺光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2主光栅和指示光栅之间的距离d可根据光栅的栅距来选择。二、莫尔条纹莫尔条纹宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定1)莫尔条纹的产生当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ时,

4、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亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。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”。莫尔条纹的产生均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度：BHW莫尔条纹演示长光栅横向莫尔条纹二、莫尔条纹横向莫尔条纹：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。二、莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹2)莫尔条纹的特征①位移放大作用相邻

5、两条莫尔条纹间距BH与栅距w及两光栅夹角θ的关系为：BH二、莫尔条纹结论：θ越小,k越大，B越大。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：二、莫尔条纹莫尔条纹放大作用举例有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：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）莫尔条纹的宽度是栅距的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。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

6、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BH与移动距离x成正比，即：二、莫尔条纹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。二、莫尔条纹二、莫尔条纹莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。x=NdN—光栅发出的脉冲数d—光栅移动的距离x工作原理：利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：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

7、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。3）光栅传感器的工作原理莫尔条纹光栅位移W光强度光栅尺的输出信号与测量电路——信号转变过程光栅位移输出电压光栅位移放大后的输出电压光栅位移整形后的输出电压光栅位移微分后的输出电压三、辨向及细分原理如果传感器只安装一套光电元