最新第7章-光栅传感器课件PPT.ppt

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1、第7章-光栅传感器7.1光栅基础7.1.1光栅分类及结构1.光栅分类光栅按其原理和用途可分为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；在几何量计量中使用的光栅称为计量光栅，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。按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属材料的为反射式光栅。按其栅线形式，光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。黑白光栅是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；相位光栅的横断面呈锯齿状，常用刻

2、划工艺加工而成。按其应用类型，光栅可分为长光栅和圆光栅。长光栅又称为光栅尺，用于测量长度或线位移；圆光栅又称盘栅，用于测量角度或角位移。目前还发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅。本章主要介绍透射式的计量光栅。图7.2圆光栅栅线7.1.2莫尔条纹原理计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，从而开创了莫尔测试技术。在我们生活中常常见到莫尔现象，当薄的两层丝绸叠加在一起并作相对运动时，形成一种漂动的水波型花样，这就是莫尔条纹（亦称为云纹）。7.1.2莫尔

3、条纹原理莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。将主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ，这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列棱形图案构成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙，光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。图7.3莫尔条纹原理由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹。(1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：W

4、-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2特例：当=0,w1=w2→B=→光闸莫尔条纹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7.1.3莫尔条纹特点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的关系为令k为放大系数，则(7.1)(7.2)一般θ很小，所以放大系数k很大。故尽管光栅栅距w很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时，通过调整θ角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使光电接收元件能正确接收光信号。对于100线／mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06°时，莫尔条纹间距B可达10mm，放大了1000倍。2.

5、运动对应的关系由图7.1知，若光栅栅距为w，i为刻线数，x为移动距离，则x=iw(7.3)将式（7.3）代入式（7.1）中，有(7.4)由式（7.4）知，当θ很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距w时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互对应的关系。因此，可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动方向和距离。3.误差减小作用光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，莫尔条纹是由若干条光栅刻线共同

6、干涉形成的，所以对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。这是光栅传感器精度高的一个重要原因。刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为δ，形成莫尔条纹区域内有N条刻线，则综合误差Δ为(7.5)7.2光栅传感器的工作原理7.2.1光电转换原理光栅传感器的光电转换系统由光源1、聚光镜2、光栅主尺3、指示光栅4和光敏元件5组成，如图7.4(a)所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化，如图7.4(b)所示。在a处，两光栅刻线不重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；在c处，由于光被遮去一半，光强减小；在b处，光全

7、被遮去而成全黑，光强为零。若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大。因而形成图7.4（b）所示的输出波形。图7.4光电转换在理想情况下，当a=b=w时，光强亮度变化曲线呈三角形分布，如图7.4(b)中虚线所示。但实际上因为刻划误差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲线。当用平行光照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布的似于正弦函数。7.2.2莫尔条纹测量位移原理7.2.2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