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1、传感器与检测技术课传感器与检测技术课件第二章件第二章-光栅光栅第1页，共43页，编辑于2022年，星期三 长光栅长光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅圆光栅圆光栅第2页，共43页，编辑于2022年，星期三1.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什么是光栅？什么是光栅？在在在在镀镀镀镀膜膜膜膜玻玻玻玻璃璃璃璃上上上上均均均均匀匀匀匀刻刻刻刻制制制制许许许许多多多多有有有有明明明明暗暗暗暗相相相相间间间间、等等等等间间间间距距距距分分分分布布布布的的的的细细细细小小小小条条条条纹纹纹纹（又又又又称称称称为为为为刻刻刻刻线），这就是线），这就是线），这就是线），这就是光栅光栅光栅光栅。第3页
2、，共43页，编辑于2022年，星期三a a为为为为栅栅栅栅线线线线的的的的宽宽宽宽度度度度（不不不不透透透透光光光光），b b为为为为栅栅栅栅线线线线间间间间宽宽宽宽（透透透透光光光光），a+b=Wa+b=W称称称称为为为为光光光光栅栅栅栅的的的的栅栅栅栅距距距距（也称（也称（也称（也称光栅常数光栅常数光栅常数光栅常数）。）。）。）。通通通通 常常常常a=ba=b=WW/2/2，也也也也 可可可可 刻刻刻刻 成成成成a a b b=1.11.1 0.90.9。目目目目前前前前常常常常用用用用的的的的光光光光栅栅栅栅每每每每毫毫毫毫米米米米刻刻刻刻成成成成1010、2525、5050、10010
3、0、250250条线条。条线条。条线条。条线条。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第4页，共43页，编辑于2022年，星期三运动运动运动运动固定固定固定固定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第5页，共43页，编辑于2022年，星期三光栅位移传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。光栅位移传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。光栅位移传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。光栅位移传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。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第6
4、页，共43页，编辑于2022年，星期三光栅数字传感器是干什么的？光栅数字传感器是干什么的？主主主主要要要要用用用用于于于于线线线线位位位位移移移移和和和和角角角角位移位移位移位移的测量。的测量。的测量。的测量。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第7页，共43页，编辑于2022年，星期三1.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当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时由于光的干涉效应，两块光栅小的夹角时由于光的干涉效应，两块光栅小的夹角时由于光的干
5、涉效应，两块光栅小的夹角时由于光的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图带（如图带（如图带（如图a-aa-a线），而在一块光栅的刻线与另一线），而在一块光栅的刻线与另一线），而在一块光栅的刻线与另一线），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（块光栅的缝隙相交处形成暗带（块光栅的缝隙相交处形成暗带（块光栅的缝隙相交处形成暗带（b-bb-b），这种亮），这种亮），这种亮），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条
6、纹称为莫带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹。尔条纹。尔条纹。尔条纹。条纹方向与刻线方向近似垂直。条纹方向与刻线方向近似垂直。条纹方向与刻线方向近似垂直。条纹方向与刻线方向近似垂直。第8页，共43页，编辑于2022年，星期三若光栅栅距为若光栅栅距为W，两个相邻，两个相邻莫尔条纹的间距为莫尔条纹的间距为BH（即（即莫尔条纹中两条暗纹或两条莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有亮纹之间的距离）则有莫尔条纹莫尔条纹这里这里是弧度，如果夹角是弧度，如果夹角为为0.10.10 0，则，则=0.1/180*=0.1/180*,则则BH=573W,
7、相当于把栅相当于把栅距放大了距放大了573倍。倍。第9页，共43页，编辑于2022年，星期三运动方向运动方向：当两个光栅沿刻线垂直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，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。莫尔条纹的运动方向也作相应改变。因此根据莫尔条纹移动方向就可以因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅对光栅1的运动进行辨向。的运动进行辨向。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第10页，共43页，编辑于2022年，星期三莫尔条纹的位移与光栅的移
8、动成莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：比例：光栅每移动一个栅距光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距莫尔条纹移动一个条纹间距BH；莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第11页，共43页，编辑于2022年，星期三莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹具有位移放大作用：莫莫尔条纹的间距尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角与两光栅条纹夹角之间关系为之间关系为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放放大了大了 1/倍。倍。如对于如对于25线线/mm长光栅而言，长光栅而言，W=0.04mm,若若=0.016rad，则，则 BH=2.5mm(这样，可把肉眼看不这样，可把肉眼看不
9、见的光栅位移变成为清晰可见的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。可以的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量实现高灵敏的位移测量)莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第12页，共43页，编辑于2022年，星期三误差的平均效应误差的平均效应误差的平均效应误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形莫尔条纹由光栅的大量刻线形莫尔条纹由光栅的大量刻线形莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵成，对线纹的刻划误差有平均抵成，对线纹的刻划误差有平均抵成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短消作用，能在很大程
10、度上消除短消作用，能在很大程度上消除短消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。周期误差的影响。周期误差的影响。周期误差的影响。例例例例W=0.02mm,W=0.02mm,接收元件尺寸接收元件尺寸接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm1010mm2 2,在在在在10mm10mm范围内有范围内有范围内有范围内有500500条刻线参与工作，某几条刻线条刻线参与工作，某几条刻线条刻线参与工作，某几条刻线条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本误差对莫尔条纹位置和形状基本误差对莫尔条纹位置和形状基本误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。无影响。无影响。无影响。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第
11、13页，共43页，编辑于2022年，星期三按正弦规律变化按正弦规律变化。光栅移动一个栅距。光栅移动一个栅距W W，光强变，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动化一个周期。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，如时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。图所示。其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，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条纹移动近似莫尔条纹的光强度随条纹移动近似第14页，共43页，编辑于2022年，星期三莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第15页，共
12、43页，编辑于2022年，星期三u 当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹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每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。u 光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方查看莫尔条纹的上下移动
13、方向，即可确定主光栅左右移动方向向.u 莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。，光强变化一个周期。u 因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移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，实现对位移的检测。移的检测。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第16页，共43页，编辑于2022年，星期三2.长光栅位移传感器长光栅位移传感器根据不同的设计要求，光栅可以制成透
14、射光栅和反射光栅。根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。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。璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。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。玻璃上。第17页，共43页，编辑于2022年，星期三由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相同，常采用由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相同，常采用的光学系统有：的光学系统有：(1)透射式光路透射式光路(2)反射式光路反射式光路3
15、.光学系统光学系统第18页，共43页，编辑于2022年，星期三（1）透射式光路透射式光路光源光源5发出的光线经发出的光线经准直透镜准直透镜4变成平行变成平行光，入射到指示光栅光，入射到指示光栅3上，经过指示光栅上，经过指示光栅3和标尺光栅和标尺光栅2，再，再透射到光敏元件透射到光敏元件1上。上。一般标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件固定在被测位移体一般标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件固定在被测位移体上，莫尔条纹的移动信号被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元件时，有上，莫尔条纹的移动信号被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。一个相应的电信号输出。第1
16、9页，共43页，编辑于2022年，星期三透射式光栅透射式光栅第20页，共43页，编辑于2022年，星期三（2）反射式光路反射式光路光源光源1发出的光线经聚发出的光线经聚光镜光镜2及场镜及场镜4后以平后以平行光束射向指示光栅行光束射向指示光栅5上，再经标尺光栅上，再经标尺光栅6反射后形成莫尔条纹，反射后形成莫尔条纹，通过反射镜通过反射镜3和物镜系和物镜系统统7把莫尔条纹的信号把莫尔条纹的信号送入光敏元件送入光敏元件8上上.当指示光栅与标尺光栅当指示光栅与标尺光栅有相对位移时，光敏元有相对位移时，光敏元件可接收到移动的莫尔件可接收到移动的莫尔条纹信号。条纹信号。第21页，共43页，编辑于2022年
17、，星期三反射式光栅反射式光栅第22页，共43页，编辑于2022年，星期三长光栅式位移传感器的特点长光栅式位移传感器的特点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,可进行无接可进行无接触测量触测量第23页，共43页，编辑于2022年，星期三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的切向圆的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如图所示光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如图所示其条纹间距为其条纹间距为4.圆光栅圆光栅第24页，共43页，编辑于2022年，星期三环
18、形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示第25页，共43页，编辑于2022年，星期三用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，偏心量为用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，偏心量为e，这时形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如图所示，这时形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如图所示4.圆光栅圆光栅其条纹间距为其条纹间距为动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成莫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，将莫尔条纹的变化转换成尔条纹信号。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信号。测角精度可达近似于正
19、弦波形的电信号。测角精度可达0.15”，分辨力可达，分辨力可达0.1”，甚至更高。，甚至更高。第26页，共43页，编辑于2022年，星期三播放中播放中圆弧莫尔条纹圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画第27页，共43页，编辑于2022年，星期三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 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BHBH，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 2，经信号转，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力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只有一个光栅栅距W.
20、W.n为了能够分辨比为了能够分辨比W W更小的位移量，就要提高分辨力，一种更小的位移量，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，但这种方法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，受到制造工艺或成本的限制，如倘若要读出位移为如倘若要读出位移为0.10.1 m m，势必要求每毫米刻线势必要求每毫米刻线1 1万条，这是目前工艺水平无法实现万条，这是目前工艺水平无法实现的。的。5.细分技术细分技术第28页，共43页，编辑于2022年，星期三n另一种方法是采用栅距细分技术，在一个栅距即一个另一种方法是采用栅距细分技术，在一个栅距即一个莫尔条
21、纹信号变化周期内莫尔条纹信号变化周期内,发出发出n n脉冲脉冲,每个脉冲代表原每个脉冲代表原来栅距的来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了。由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍倍,因此也称之为因此也称之为n n倍频。倍频。n细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅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力。的分辨力。n常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等。计算机细分法等。5.细分技术细分技术第29页，共43页，编辑于2022年，星期三四四倍倍频频细细分分法法：在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度
22、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)(a)所所示示，得得到到相相位位分分别别相相差差/2/2四四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1/41/4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1/41/4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
23、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。5.细分技术细分技术第30页，共43页，编辑于2022年，星期三光栅传感器的应用光栅传感器的应用长度计长度计长度计长度计第31页，共43页，编辑于2022年，星期三长度计长度计长度计长度计光栅传感器的应用光栅传感器的应用第32页，共43页，编辑于2022年，星期三长度计长度计长度计长度计光栅传感器的应用光栅传感器的应用计量和生产控制计量和生产控制第33页，共43页，编辑于2022年，星期三长度计长度计长度计长度计光栅传感器的应用光栅传感器的应用位置测量位置测量第34页，共43页，编辑于2022年，星期三数控机床位
24、置控制框图数控机床位置控制框图数控机床位置控制框图数控机床位置控制框图光栅传感器的应用光栅传感器的应用第35页，共43页，编辑于2022年，星期三课堂练习课堂练习第36页，共43页，编辑于2022年，星期三1、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是A、电阻式传感器B、电感式传感器C、压电式传感器D、光栅式传感器第37页，共43页，编辑于2022年，星期三2、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线的夹角为 1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）A、0.022mmB、0.07mmC、1.27mmD、3.99mm第38页，共43页，编辑于2022年，星期三3 3、四倍细分式光栅式
25、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，则光栅的栅距为（脉冲，则光栅的栅距为（）用四倍细分，则分辨力是光栅栅距的1/4，则光栅栅距为分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm第39页，共43页，编辑于2022年，星期三4 4、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
26、为（）分辨率是一个光栅栅距，即1/50=0.02mm，若用四个光电元件，即经过四倍细分后，则光栅栅距为分辨力的4倍。分辨力为0.02/4=0.005mm第40页，共43页，编辑于2022年，星期三5 5、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（）（模拟四）（模拟四）细分细分第41页，共43页，编辑于2022年，星期三6 6、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5050线线/mm/mm，主主光光栅栅和和指指示示光光栅栅的栅线的夹角为的栅线的夹角为0.20.2。（1
27、 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 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1010个个周周期期的的光光强强信信号号，求测得的位移是多少？求测得的位移是多少？（3 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？第42页，共43页，编辑于2022年，星期三7 7、若若某某光光栅栅栅栅线线为为2525线线/mm/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？A A、0.001mm/0.001mm/脉冲脉冲B B、0.005mm/0.005mm/脉冲脉冲C C、0.01mm/0.01mm/脉冲脉冲D D、0.02mm/0.02mm/脉冲脉冲=1/25/4=0.01mm第43页，共43页，编辑于2022年，星期三