第4章第4.补2光栅传感器

1、4.4.3 光栅式传感器一、一、光栅传感器的结构和分光栅传感器的结构和分类类二、二、莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理三、三、辨向及细分原理辨向及细分原理四、四、光栅传感器的应用光栅传感器的应用传感器与检测技术光栅传感器光栅传感器传感器与检测技术光栅传感器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/2 2.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

2、分为：（按照光源照射方法）一、一、 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类传感器与检测技术光栅传感器 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移，在圆盘上刻线。一、一、 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类传感器与检测技术光栅传感器 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、一、 光栅传感器的结构与类型光栅传感器的结构与类型传感器与检测技术光栅传感器反射式光栅反射式光栅传感器

3、与检测技术光栅传感器透射式光栅透射式光栅传感器与检测技术光栅传感器透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定传感器与检测技术光栅传感器透射光栅的结构透射光栅的结构 在直光栅中，若在直光栅中，若a a为刻线宽度，为刻线宽度，b b为缝隙宽度，则为缝隙宽度，则a+ba+b称称为光栅的为光栅的栅距栅距( (也称光栅常数也称光栅常数) )。通常。通常a ab b，或，或a:ba:b1.1:0.91.1:0.9。线纹密度一般为线纹密度一般为每毫米每毫米100100、5050、2525和和1010线线。 主光栅主光栅，是测量的基，是测量的基准，另一块光栅为准，另一块光栅为指示光指示光栅栅，在使用长光栅尺的数，在使用

4、长光栅尺的数控机床中，控机床中，标尺光栅标尺光栅往往往往固定在床身上不动，而固定在床身上不动，而指指示光栅示光栅随拖板一起移动。随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸标尺光栅的尺寸常由常由测量测量范围范围确定，确定，指示光栅指示光栅则为则为一小块，只要能一小块，只要能满足测量满足测量所需的莫尔条纹数量所需的莫尔条纹数量即可即可。传感器与检测技术光栅传感器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

5、出，主要有强弱变化转换为电量输出，主要有光电池光电池和和光敏晶体管光敏晶体管。一、一、 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类3.3.光栅传感器的组成光栅传感器的组成莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器光栅副：指示光栅主光栅（标尺光栅）光栅副：指示光栅主光栅（标尺光栅） a+b=Wa+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 a=b=W/2 主光栅和指示光栅之间的主光栅和指示光栅之间的距离距离d d可根据光栅的可根据光栅的栅距栅距来选择。来选择。传感器与检测技术光栅传感器二、二、 莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度B BH

6、H由光栅常数与光栅夹角决定由光栅常数与光栅夹角决定 1)1)莫尔条纹的产生莫尔条纹的产生 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角时时, , 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形相交处形成亮带成亮带，而在，而在刻线彼此错开处形成暗带刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致。在与光栅线纹大致垂直的方向上垂直的方向上, , 产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹, , 这些条纹称为这些条纹称为“莫莫尔条纹尔条纹”。传感器与检测技术光栅传感器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

7、尔条纹移动条纹宽度： )2/sin(2WBHW传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹演示莫尔条纹演示传感器与检测技术光栅传感器 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹二、二、 莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器横向莫尔条纹：横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角由于两光栅的栅线夹角 很小，很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条横向莫尔条纹纹。纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0，且两光栅栅距且两光栅栅距不等时产生的莫不等时产生的莫尔条纹尔条纹。光闸莫尔条纹：光闸莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0, 且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时等时

8、产生的莫尔条纹。产生的莫尔条纹。二、二、 莫尔条纹莫尔条纹横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器2) 2) 莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征位移放大作用位移放大作用2sin2wWB相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔条纹间距B BH H与栅距与栅距w w及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：的关系为：wababaababaBw2 1BH二、二、 莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器1WBBkW结论：结论： 越小越小, k, k越大，越大，B B越大。越大。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k k为放大系数，为放大

9、系数，则：则：二、二、 莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹放大作用举例莫尔条纹放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为5050，主光栅与指，主光栅与指示光栅的夹角示光栅的夹角 = =1.81.8 ，则：，则： 分辨力分辨力 = =栅距栅距W W =1mm/=1mm/5050=0.02mm=20=0.02mm=20 m m （由于（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的3232倍：倍： B BH H W W/ / = 0.02mm/ = 0.02mm/（1.81.8 *

10、*3.14/3.14/180180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条莫尔条纹纹光强的变化。光强的变化。传感器与检测技术光栅传感器运动对应关系运动对应关系 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光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。向。当移动的刻线数当移动的刻线数i

11、和角度和角度一定时，莫尔条纹间一定时，莫尔条纹间距距B BH H与移动距离与移动距离x成正比，即：成正比，即： /Wx ixBi二、二、 莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器 误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差消差作用。作用。u莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, , 几条刻线几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上响甚微。能在很大程度上消除短周期误差消除短周期误差的影的影响。响。二、二、 莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器

12、二、二、 莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。刻线数相等。x=NdN N光栅发出的脉冲数光栅发出的脉冲数d d光栅移动的距离光栅移动的距离x x传感器与检测技术光栅传感器 工作原理：工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅光栅的相对移动使的相对移动使透射光强度透射光强度呈周期性变化，光电元件呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的把这种光强信号变为周期性变化的电信号电信号，由电信，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。号的变化即可获得光栅的相对移动量。 特点：特点： 数字

13、式传感器：数字式传感器：能把被测的模拟量能把被测的模拟量直接直接转换成数字转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强强, ,稳定性强稳定性强; ;易于微机接口易于微机接口, ,便于信号处理和实现自便于信号处理和实现自动化测量。动化测量。3 3）光栅传感器的工作原理）光栅传感器的工作原理传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹莫尔条纹传感器与检测技术光栅传感器光栅位移W光强度光栅尺的输出信号与测量电路光栅尺的输出信号与测量电路信号转变过程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传感器与

14、检测技术光栅传感器三、辨向及细分原理三、辨向及细分原理 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反转圈，反转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将错圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。传感器与检测技术光栅传感器实现的方法实现的方法是在相隔是在相隔B BH H4 4条纹间隔的位条纹间隔的位置上安装两只光敏元件置上安装两只光敏元件, ,当莫尔条纹

15、移动当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样时两个狭缝的亮度变化规律完全一样, ,相相位相差位相差2 2。滞后还是超前完全取决于。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为方法称为位置细分辨向原理位置细分辨向原理。三、辨向及细分原理三、辨向及细分原理传感器与检测技术光栅传感器光栅尺的输出信号与测量电路光栅尺的输出信号与测量电路 光栅读数头组成：光源、聚光透镜、指示光栅、光敏元件、信号处理电路（包括放大、整形和鉴向倍频）。 光栅读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。在相距BH/4的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位

16、互差90的正弦信号 传感器与检测技术光栅传感器辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。传感器与检测技术光栅传感器 1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹；莫尔条纹； A A光栅移动方向；光栅移动方向；B B莫尔条纹移动方向；莫尔条纹移动方向； U1U1元件元件ABAB对应的输出电压；对应的输出电压； U2U2元件元件CDCD对应的输出电压；对应的输出电压；传感器与检测技术光栅传感器 A

17、BAB与与CDCD两个狭缝在结构上相差两个狭缝在结构上相差2,2,所以它们所以它们在光电元件上取得的信号必是相差在光电元件上取得的信号必是相差2 2。 ABAB为主信号为主信号,CD,CD为门控信号。为门控信号。 当主光栅作正向运动时当主光栅作正向运动时,CD,CD产生的信号只允许产生的信号只允许ABAB产产生的正脉冲通过生的正脉冲通过, ,门电路在可逆计数器中作加法运门电路在可逆计数器中作加法运算；算； 当主光栅作反方向移动时当主光栅作反方向移动时, ,则则CDCD产生的负值信号只产生的负值信号只让让ABAB产生的负脉冲通过产生的负脉冲通过, ,门电路在可逆计数器中作门电路在可逆计数器中作减

18、法运算。减法运算。传感器与检测技术光栅传感器 U U1 1和和U U2 2经过整形后得两个方波信号经过整形后得两个方波信号U1U1和和U2U2 。 U1U1产生计数脉冲，产生计数脉冲， U2U2的电平状态作为与门的电平状态作为与门的控制信号的控制信号, , 来控制在不同的移动方向时来控制在不同的移动方向时, U1, U1所所产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向产生的脉冲输出路线。这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲, , 再将其输再将其输入可逆计数器入可逆计数器, , 实时显示出相对于某个参考点的实时显示出相对于某个参考点的位移量。位移量

19、。 传感器与检测技术光栅传感器当光栅沿当光栅沿A A向移动时向移动时, ,莫尔条纹向莫尔条纹向B B向移动。向移动。 U2U2超前超前U1 90U1 90。U1U1经微分电路后产生的脉冲（如经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在图中实线所示）正好发生在U2U2的的“1”1”电平时电平时, , 从而经从而经Y1Y1输出一个加计数脉冲输出一个加计数脉冲; ; 而而U1U1经反相并微经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与U2U2的的“0”0”电平相遇电平相遇, , 与门与门Y2Y2被阻塞被阻塞, , 无脉冲输出。无脉冲输出。 当光栅沿当光栅沿A A反方向移动时反方向移动时, , 莫尔条纹向莫尔条纹向B B反向移反向移动。动。U U1 1超前超前U U2 29090。U U1 1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在U U2 2为为“0”0”电平时电平时, , 与门与