第四章-光栅传感器

第四章计量光栅传感技术5/8/2025传感器原理及应用

4.1光栅基础1.光栅的结构

光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。栅线——光栅上的刻线，宽度a

缝隙宽度b

栅距w=a+b（也称光栅常数）5/8/2025传感器原理及应用2、分类按原理和用途：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。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。5/8/2025传感器原理及应用2、分类按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）黑白光栅：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：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。5/8/2025传感器原理及应用反射式光栅5/8/2025传感器原理及应用透射式光栅5/8/2025传感器原理及应用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。5/8/2025传感器原理及应用2、分类按应用类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移5/8/2025传感器原理及应用构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)5/8/2025传感器原理及应用圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.5/8/2025传感器原理及应用栅距栅线宽度缝隙宽度栅距角5/8/2025传感器原理及应用圆光栅分类：根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：

径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切;

环形光栅:一簇等间距同心圆组成.若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。5/8/2025传感器原理及应用5/8/2025传感器原理及应用透射式圆光栅固定5/8/2025传感器原理及应用莫尔现象几个世纪以前,法国丝绸工人曾发现一种奇怪的现象--两块叠合在一起的薄绸子在光线的照射下会产生绚丽的花纹,他们把这种自然现象称之为"莫尔"现象.在日常生活中,我们也能经常看到这种现象,只是不为人注意罢了.在两层纱窗重叠时会出现"莫尔"现象,两层帐子重叠时、转动撑开的纸伞时也会出现"莫尔"现象.支持原创Supportingoriginal5/8/2025传感器原理及应用3.莫尔条纹1).莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ时,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暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。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”。5/8/2025传感器原理及应用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：

BHW5/8/2025传感器原理及应用莫尔条纹演示5/8/2025传感器原理及应用

长光栅横向莫尔条纹5/8/2025传感器原理及应用1.长光栅莫尔条纹长光栅组的栅线方程斜光栅组的栅线方程为图4‑3长光栅莫尔条纹形成原理图5/8/2025传感器原理及应用莫尔条纹测量原理与基本特性

1.长光栅莫尔条纹相邻两亮线（或暗线）间的间距为两相邻k值所代表的两直线之间的距离，记以W，则W为5/8/2025传感器原理及应用横向莫尔条纹：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。5/8/2025传感器原理及应用横向莫尔条纹光闸莫尔条纹纵向莫尔条纹5/8/2025传感器原理及应用长光栅莫尔条纹播放动画5/8/2025传感器原理及应用长光栅光闸莫尔条纹播放动画5/8/2025传感器原理及应用播放中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画5/8/2025传感器原理及应用光闸莫尔条纹播放动画播放中……5/8/2025传感器原理及应用环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示5/8/2025传感器原理及应用单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画5/8/2025传感器原理及应用2)莫尔条纹的特征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：B5/8/2025传感器原理及应用结论：

θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm时

θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad

则：B=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数，则：5/8/2025传感器原理及应用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B与移动距离x成正比，即：

5/8/2025传感器原理及应用

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。5/8/2025传感器原理及应用莫尔条纹测量原理与基本特性2.圆光栅的莫尔条纹计量圆光栅的系统结构和长光栅的结构类似，一般由黑白光栅副和光学系统、接收系统所组成。根据光栅栅线形状的不同，圆光栅分为：圆形直线形径向辐射光栅切向光栅由于各类圆光栅本身结构上的差别，使它们各自的莫尔条纹的形状也各不相同。5/8/2025传感器原理及应用莫尔条纹测量原理与基本特性图4‑6节距角相同的两径向光栅偏心叠合5/8/2025传感器原理及应用节距角相同的两径向光栅偏心叠合圆光栅莫尔条纹具有的基本特性有（1）莫尔条纹横向性与纵向性（2）条纹宽度非定值空间角位移与条纹平移量关系非线性光栅Ol的第n′条栅线的方程（见图4‑6b）为同样，光栅O2的第n条栅线（见图4‑6c）的方程为经整理得：节距角相同的两个径向光栅的偏心叠合时，所形成的莫尔条纹的特征是它的莫尔条纹成圆状，其条纹的圆心位于OY上，各级圆状莫尔条纹均通过两光栅的中心O1及O2（见图4‑6a）。5/8/2025传感器原理及应用工作原理：

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。4.2光栅传感器的工作原理5/8/2025传感器原理及应用一、光电转换原理

1－光源；2－聚光镜；3－光栅主尺；4－指示光栅；5－光敏元件；6－莫尔条纹；7－光强分布5/8/2025传感器原理及应用光栅传感器5/8/2025传感器原理及应用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5/8/2025传感器原理及应用两块光栅：一块为指示光栅与工作台固定．一块为长光栅．工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到．指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹变化一周．指示光栅移动的距离为：

Ｎ：指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，δ：小于１个光栅节距的小数．简单光栅读数头１：灯，２：聚光镜，３：指示光栅，４：长光栅，５：光电探测器传感器原理及应用光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号；通过对莫尔条纹的直接测量，可以测的光栅的位移量；在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分，可读取位移的分数，提高测量的灵敏度和精度．光栅输出信号波形传感器原理及应用常见的光栅光学系统光栅光学系统一般分为光强调制型与相位调制型两大类。光强调制型又可分为反射式单光栅光学系统反射式单光栅光学系统最大特点是空间分辨率提高一倍，即光栅移动半个栅距，莫尔条纹变化一个周期。反射式双光栅光学系统透镜式双光栅光学系统双光栅又可分为直接接受式与分光接受式两类。相位调制型光学系统又可分为光栅扫描式相位调制光学系统光电器件自扫描式相位调制光学系统5/8/2025传感器原理及应用光强调制型光学系统图4‑7用平面反射镜构成的单光栅光学系统5/8/2025传感器原理及应用光强调制型光学系统图4‑8双光栅光学系统5/8/2025传感器原理及应用相位调制型光学系统图4‑11光栅扫描式相位调制型光学系统5/8/2025传感器原理及应用相位调制型光学系统图4‑12光敏二级管阵列自扫描光学系统5/8/2025传感器原理及应用三、辨向原理及辨向电路1）辨向的原因

当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。5/8/2025传感器原理及应用2）辨向原理与辨向电路为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个莫尔条纹信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的位置上安装两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样,相位相差π／2。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方法称为位置细分辨向原理。5/8/2025传感器原理及应用4.5莫尔条纹细分技术目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法：

1.增加光栅刻线密度；

2.电子细分；

3.机械和光学细分。5/8/2025传感器原理及应用电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n个脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频法。通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细分等。5/8/2025传感器原理及应用1.四倍频细分方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，得到四个相差依次为π/2的电压信号；或在相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差π/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差π/2的电压信号。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。5/8/2025传感器原理及应用相距B/4放置四个光电元件

5/8/2025传感器原理及应用4.6

光栅传感器的光学系统组成：光源、透镜、光栅、光敏元件光源：白炽灯或其它发光元件；透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件：输出电压信号；形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等5/8/2025