中科大现代传感技术课件第4章 计量光栅传感技术

第4章计量光栅传感技术计量光栅传感器是一种重要的传感器，计量光栅传感器也称莫尔光栅传感器，由于它是以数字量形式输出，因此可以把它看成一种数字式传感器。通过本章的学习，主要理解、掌握计量光栅的基本类型、测量的基本原理，以及运动方向的判断、莫尔条纹的细分技术。计量光栅传感技术4.1计量光栅结构的基本特点与种类

4.2光栅测量的基本原理与莫尔条纹的基本特性

4.3常见的光栅光学系统

4.4.莫尔条纹信号处理方法

4.5高倍细分技术

4.6计量光栅传感技术应用实例计量光栅结构的基本特点与种类作计量用的光栅称作计量光栅。计量光栅具有测量精度高、可靠性好、量程大、结构简单、成本相对较低、对环境要求不严、抗干扰性好、可直接与计算机接口或独立进行数显、数控和便于自动测量等一系列优点。根据测量的运动形式不同，计量光栅可分为两大类长光栅（测量平移等，见图4‑1）圆光栅（测量转动、角位置、角位移、角速度、角加速度等，见图4‑2）光栅的分类如下：计量光栅结构的基本特点与种类图4－1长光栅的结构示意图计量光栅结构的基本特点与种类图4‑2圆光栅的结构示意图光栅测量的基本原理与莫尔条纹的基本特性莫尔条纹的形成

莫尔条纹测量原理与基本特性1.长光栅莫尔条纹2.圆光栅的莫尔条纹莫尔条纹的形成当两光栅面相对叠合时，透射光会形成莫尔（moire）条纹。光栅测量主要是利用莫尔条纹来进行的。莫尔条纹的形成，实质上是光通过一对光栅（常常称为“光栅副”）时所产生的衍射和干涉的结果。计量光栅中使用的一对光栅，其中长的一个，称为主光栅或标尺光栅，另一根较短，称为指示光栅。莫尔条纹测量原理与基本特性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为莫尔条纹测量原理与基本特性1.长光栅莫尔条纹

长光栅莫尔条纹具有以下基本特性：（1）莫尔条纹横向性（2）莫尔条纹位移放大作用（3）光闸莫尔条纹（4）游标莫尔条纹（5）莫尔条纹的运动情况（6）莫尔条纹的消误差作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。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）。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光强调制型光学系统图4‑8双光栅光学系统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莫尔条纹信号处理方法1.信号采集与运动方向辨别2.信号处理——差分放大器1.信号采集与运动方向辨别为实现正反向测量和消除直流分量影响以及条纹细分需要，通常采用光电接收器件陈列法。如使用4相硅光电池。这种横向排列的方法对光源、准直镜和光敏二极管阵列的安装带来困难。通常使用裂相指示光栅作为计量光栅解决这个问题。图4‑14四极硅光电池及其安装方式1.信号采集与运动方向辨别

图4‑16使用裂相指示光栅的光栅学系统图4‑17信号处理电路方向框图1.信号采集与运动方向辨别图4‑184倍频整形细分判向电路方向框图1.信号采集与运动方向辨别4个取样信号是包含直流分量的电信号，其表达式为经差分放大后滤去直流分量，得到1.信号采集与运动方向辨别图4‑19鉴零器输出的波形图2.信号处理——差分放大器在莫尔条纹输出信号中的直流电平，不但使信号的对比度变差，而且影响到以后的电子细分的精度或者说直接限制了电子细分的倍数。因此总希望尽量消除输出信号中的直流分量。因此通常使用差动放大器。此外，差动放大器的使用，还使输出信号中的基频分量振幅提高了一倍。2.信号处理——差分放大器图4－20基本差动放大器电路2.信号处理——差分放大器当莫尔条纹的宽度和4相光电池的几何宽度一致时，图中4个光电元件输出的信号依次为高倍细分技术