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1、第2章位移检测传感器之光栅传感器1本讲稿第一页，共四十四页二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器n光栅式位移传感器有测量光栅式位移传感器有测量线位移线位移的的长光栅长光栅和测和测量量角位移角位移的的圆光栅圆光栅。2本讲稿第二页，共四十四页光栅式位移传感器的分类1 测量线位移的长光栅2 测量角位移的圆光栅3本讲稿第三页，共四十四页 长光栅长光栅圆光栅圆光栅圆光栅圆光栅4本讲稿第四页，共四十四页n由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图所示。由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图所示。n 用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽用玻璃制成的光栅称为
2、透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。n 光栅的刻痕密度一般为每厘米光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之线。刻痕之间的距离为栅距间的距离为栅距W。莫尔条纹莫尔条纹5本讲稿第五页，共四十四页光栅结构放大图光栅结构放大图 6本讲稿第六页，共四十四页n 长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细线。如果将这属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细线。如果将这两块玻璃板或金属板重
3、叠放置，并使它们的刻线间有一两块玻璃板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一微小夹角微小夹角，此时，由于，此时，由于光的干涉效应光的干涉效应，两块光栅的刻，两块光栅的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图a-a线），线），而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带（暗带（b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为这些条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹。条纹方向与刻线方向近似条纹方向与刻线方向近似垂直。垂直。莫尔条纹莫尔条纹7本讲稿第七页，共四十四页n根据
4、根据莫莫尔条纹尔条纹效应设效应设计光栅计光栅传感器传感器。莫尔条纹莫尔条纹8本讲稿第八页，共四十四页若光栅栅距为若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即莫尔，（即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有莫尔条纹莫尔条纹这里这里是弧度，如果夹角为是弧度，如果夹角为0.10.10 0，则，则=0.1/180*=0.1/180*,则则BH=573W,相当于把栅距放大了相当于把栅距放大了573倍。倍。9本讲稿第九页，共四十四页运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对
5、移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅运动方向改沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅距光栅每移动一个栅距W，莫，莫尔条纹移动一个条纹间距尔条纹移动一个条纹间距BH；莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之与两光栅条纹夹角之间关系为间关系为BH=W/,越小，越小，则则BH越大。这相当于把栅距越大。这相当于把栅距 W放大放大了了 1
6、/倍。倍。如对于如对于2525线线/mm/mm长光栅而言，长光栅而言，W=0.04mm,W=0.04mm,若若=0.016rad=0.016rad，则，则 BH=2.5mm=2.5mm(这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量移测量)莫尔条纹有如下特点莫尔条纹有如下特点10本讲稿第十页，共四十四页当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的光强度随
7、条纹移动近似按光强度随条纹移动近似按正弦规律正弦规律变化。光栅移动一个栅距变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：莫尔条纹有如下特点莫尔条纹有如下特点11本讲稿第十一页，共四十四页莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹由大莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。
8、通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。的刻划精度还要高。莫尔条纹有如下特点莫尔条纹有如下特点莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。如采用如采用100线线/mm光栅时，若光栅移动了光栅时，若光栅移动了xmm(即移即移过过100 x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过的莫条光栅栅线时），则从光电元件前掠过的莫尔条纹也是尔条纹也是100 x条。条。由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光敏由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，元件识别
9、。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。就可知道移动的实际位移。12本讲稿第十二页，共四十四页 当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每移动一个栅距向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每移动一个栅距W，莫尔条，莫尔条纹移动一个条纹间距纹移动一个条纹间距BH，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。光栅的位移量。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。查看光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应
10、改变。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向.莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距栅距W，光强变化一个周期。，光强变化一个周期。因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。测。1.长光栅位移传感器的工作原理长光栅位移传感器的工作原理13本讲稿第十三页，共四十四页n在作直线位移测
11、量时，常把前面介绍的两块光栅作成在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。一个标尺光栅和一个指示光栅。n标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。要而定，一般与光学系统物镜直径相同。n光栅条纹密度有光栅条纹密度有25条条/mm，50条条/mm、100条条/mm或或更密，栅线长度一般为更密，栅线长度一般为612mm。2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器14本讲稿第十四页，共四十四页光栅的构造：光栅
12、的构造：光栅的构造：光栅的构造：15本讲稿第十五页，共四十四页2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器n根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。反射光栅。n透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高时，可透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。n反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。金属膜的玻璃上。16本讲稿第十六页，共四十四页n由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相由于采用不同形式
13、的光栅，光学系统也各不相同，常采用的光学系统有：同，常采用的光学系统有：n(1)透射式光路透射式光路 n(2)反射式光路反射式光路3.光学系统光学系统17本讲稿第十七页，共四十四页（1）透射式光路透射式光路n光源光源5发出的光线经准直透镜发出的光线经准直透镜4变成平行光，入射到指示光变成平行光，入射到指示光栅栅3上，经过指示光栅上，经过指示光栅3和和标尺光栅标尺光栅2，再透射到光敏，再透射到光敏元件元件1上。上。n一般标尺光栅固定不动，而一般标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件光源、指示光栅和光敏元件固定在被测位移体上，莫尔固定在被测位移体上，莫尔条纹的移动信号被光敏元件条纹的移动信号
14、被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元接收。每当亮带通过光敏元件时，有一个相应的电信号件时，有一个相应的电信号输出。输出。18本讲稿第十八页，共四十四页透射式光栅透射式光栅19本讲稿第十九页，共四十四页（2）反射式光路反射式光路n光源光源1发出的光线经聚光发出的光线经聚光镜镜2及场镜及场镜4后以平行光束后以平行光束射向指示光栅射向指示光栅5上，再经上，再经标尺光栅标尺光栅6反射后形成莫反射后形成莫尔条纹，通过反射镜尔条纹，通过反射镜3和和物镜系统物镜系统7把莫尔条纹的把莫尔条纹的信号送入光敏元件信号送入光敏元件8上上.n当指示光栅与标尺光栅有相当指示光栅与标尺光栅有相对位移时，光敏元件可接收对位移
15、时，光敏元件可接收到移动的莫尔条纹信号。到移动的莫尔条纹信号。20本讲稿第二十页，共四十四页反射式光栅反射式光栅21本讲稿第二十一页，共四十四页长光栅式位移传感器的特点长光栅式位移传感器的特点n长光栅位移传感器的测长精度可达长光栅位移传感器的测长精度可达0.53 m(3000mm范围内范围内)，分辨力可达，分辨力可达0.1 m,可进行无接触测量可进行无接触测量22本讲稿第二十二页，共四十四页n用两块刻线数目相同，切线圆半径分别为用两块刻线数目相同，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如图所示条纹如图所示4.圆光栅圆光栅n其条
16、纹间距为其条纹间距为23本讲稿第二十三页，共四十四页n用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，偏心量为偏心量为e，这时形成不同曲率半径的圆弧形，这时形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如图所示莫尔条纹如图所示4.圆光栅圆光栅n其条纹间距为其条纹间距为24本讲稿第二十四页，共四十四页n动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件，度量变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。测角精度可达信号。测角精度可达
17、0.15”，分辨力可达，分辨力可达0.1”，甚至更高。，甚至更高。4.圆光栅圆光栅25本讲稿第二十五页，共四十四页二、光栅式位移传感器4.圆光栅n(1)切向圆光栅n(2)径向圆光栅径向圆光栅径向圆光栅 切向圆光栅切向圆光栅4.圆光栅圆光栅26本讲稿第二十六页，共四十四页n由前面分析，光栅每移动一个栅距由前面分析，光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个，莫尔条纹移动一个条纹间距条纹间距BH，光电元件输出就变化一个周期，光电元件输出就变化一个周期2，经信号，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力只有一个光栅栅距力只有一个光栅栅距W.
18、n为了能够分辨比为了能够分辨比W更小的位移量，就要提高分辨力，一更小的位移量，就要提高分辨力，一种方法是可以采用增加刻划密度的方法来减少栅距，但种方法是可以采用增加刻划密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制，这种方法受到制造工艺或成本的限制，如倘若要读出位移如倘若要读出位移为为0.1 m，势必要求每毫米刻线，势必要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平万条，这是目前工艺水平无法实现的。无法实现的。5.细分技术细分技术27本讲稿第二十七页，共四十四页常常用用的的细细分分方方法法有有四四倍倍频频细细分分法法、十十六六倍倍频频细分法、计算机细分法等。细分法、计算机细分法等。5.细分技
19、术细分技术n另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分后计另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分后计数脉冲提高了数脉冲提高了n n倍，所以细分又称倍频，细分后可倍，所以细分又称倍频，细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨力。力。28本讲稿第二十八页，共四十四页四倍频细分法四倍频细分法 在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，如如右右下下图图(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2四四个个正正弦弦周周期期信信号号。用用适适当当电电路路处处理理这这些些信信号号，使使其其合合并并得得到到如如右
20、右下下图图 所所示示的的脉脉冲冲信信号号。每每个个脉脉冲冲分分别别和和四四个个周周期期信信号号的的零零点点相相对对应应，则则电电脉脉冲冲的的周周期期反反应应了了1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度。用用计计数数器器对对这这一一列列脉脉冲冲信信号号计计数数，就就可可以以读读到到1/4个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度的的位位移移量量，这这将将是是光光栅栅固固有有分分辨辨率率的的四四倍倍。此此种种方方法被称为四倍频细分法。法被称为四倍频细分法。29本讲稿第二十九页，共四十四页n课堂练习30本讲稿第三十页，共四十四页4 4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是
21、（单一）的传感器是（单一）A、电阻式传感器、电阻式传感器B、电感式传感器、电感式传感器C、压电式传感器、压电式传感器D、光栅式传感器、光栅式传感器31本讲稿第三十一页，共四十四页4 4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是（单一）传感器是（单一）D、光栅式传感器、光栅式传感器32本讲稿第三十二页，共四十四页1 1、若光栅式位移传感器的光栅栅距为、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,0.04mm,栅线的夹栅线的夹角为角为1.81.80 0，则相邻莫尔条纹的间距为（单一），则相邻莫尔条纹的间距为（单一）A、0.022mmB、0.07mmC、
22、1.27mmD、3.99mm33本讲稿第三十三页，共四十四页1111、若光栅式位移传感器的光栅栅距为、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,0.04mm,栅线的栅线的夹角为夹角为1.81.80 0，则相邻莫尔条纹的间距为，则相邻莫尔条纹的间距为 （单一）（单一）C、1.27mm34本讲稿第三十四页，共四十四页2323、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4 4个光电元件接收个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为莫尔条纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm0.004/mm脉冲，则光栅的栅距脉冲，则光栅的栅距为（为（）（模拟一）（模拟一）35
23、本讲稿第三十五页，共四十四页2323、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4 4个光电元件接个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm0.004/mm脉冲，则光栅的栅距脉冲，则光栅的栅距为（为（）（模拟一）（模拟一）用四倍细分，则分辨力是光栅栅距的用四倍细分，则分辨力是光栅栅距的1/41/4，则光栅栅距为分辨力的，则光栅栅距为分辨力的4 4倍。倍。4*0.004=0.016mm4*0.004=0.016mm36本讲稿第三十六页，共四十四页9 9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为、四倍细分光栅式
24、位移传感检测系统，如果栅线为5050线线/mm,/mm,当用当用4 4个个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为（则分辨率为（）（模拟）（模拟一）一）37本讲稿第三十七页，共四十四页9 9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为5050线线/mm,/mm,当用当用4 4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为（则分辨率为（）（模拟一）（模拟一）分辨率是一个光栅栅距，即分辨率是一个光栅栅距，即1/50=0.02mm1/50=0.02mm，若用四个光电元件，即经，若用四个光
25、电元件，即经过四倍细分后，则光栅栅距为分辨力的过四倍细分后，则光栅栅距为分辨力的4 4倍。分辨力为倍。分辨力为0.02/4=0.005mm0.02/4=0.005mm38本讲稿第三十八页，共四十四页23、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器的输出信号进行（器的输出信号进行（）（模拟四）（模拟四）39本讲稿第三十九页，共四十四页23、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器的输出信号进行（量传感器的输出信号进行（细分细分 ）（模拟四）（模拟
26、四）40本讲稿第四十页，共四十四页31、已已知知光光栅栅式式位位移移传传感感器器的的栅栅线线为为50线线/mm，主主光光栅栅和和指指示光栅的栅线的夹角为示光栅的栅线的夹角为0.2。(模拟四）模拟四）（1）求求光光栅栅莫莫尔尔条条纹纹的的间间距距，及及莫莫尔尔条条纹纹的的放放大大系系数；数；（2）测测量量时时，若若光光电电元元件件接接收收到到莫莫尔尔条条纹纹10个个周周期期的的光强信号，求测得的位移是多少？光强信号，求测得的位移是多少？（3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？41本讲稿第四十一页，共四十四页31、已已知知光光栅栅式式位位移移传传
27、感感器器的的栅栅线线为为50线线/mm，主主光光栅栅和和指指示光栅的栅线的夹角为示光栅的栅线的夹角为0.2。（1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；（2）测测量量时时，若若光光电电元元件件接接收收到到莫莫尔尔条条纹纹10个个周周期期的的光强信号，求测得的位移是多少？光强信号，求测得的位移是多少？（3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？42本讲稿第四十二页，共四十四页10、若若某某光光栅栅栅栅线线为为25线线/mm，则则四四倍倍细细分分后后，其其分分辨辨力力是多少？是多少？A、0.001mm/脉冲脉冲B、0.005mm/脉冲脉冲C、0.01mm/脉冲脉冲D、0.02mm/脉冲脉冲43本讲稿第四十三页，共四十四页10、若若某某光光栅栅栅栅线线为为25线线/mm，则则四四倍倍细细分分后后，其其分分辨辨力力是是多少？多少？(密押二）密押二）=1/25/4=0.01mmC、0.01mm/脉冲脉冲44本讲稿第四十四页，共四十四页