第10章_光栅传感器.ppt

1、第10章：光栅传感器,光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置称为光栅 传感器。 光栅传感器的优点： 高精度、高分辨率和大动态范围，因而 广泛应用于静态测量、动态测量和自动 化等领域。,一、光栅基础知识 （一）、光栅分类及结构,1、光栅分类 按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。 按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。 按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑 白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。 按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。 目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅,2、光栅的结构,所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。 圆

2、光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长线通过圆心；第二种是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。,（二）莫尔条纹原理与特点,莫尔条纹具有三个特点： 1、莫尔条纹具有位移放 大作用 2、莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系 3、误差减小作用,莫尔条纹亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的。,二、光栅传感器的工作原理,（一）光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构： 1、光源，2、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅），4、指示光栅，5光敏元件，如图104（a）所示。,（二） 莫尔条纹测量位

3、移原理,当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时，电信号则变化一个周期。 当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW。,（三） 辨向原理,如图105所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。,三、莫尔条纹细分技术,（一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又

4、可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。 3、机械和光学细分。,（二）直接细分,直接细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点是光电元件安放困难，因而细分不能过高。,（三） 电位器桥细分,为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为/2的正弦交流信号UmSin、UmCos、-UmSin、-UmCos（=2X/）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行1260（为4 的整倍数）细分，如图107所示。,一种用于48细分的电位器电桥细分电路如图108所示。,四、 光栅传感器的误差,单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫

5、尔要纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。 长光栅栅距误差一般为微米（m）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。,五、常用光学系统（一）常用光学系统,1、透射直读式光路 一般的透射式光路如图109（a）所示。光源1发射的光经准直透镜2变成平行光束，垂直投射到主光栅3上，它和指示光栅4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5接收。,图1010所示为数控机床中的小型光栅式传感器,2、反射直读式光路,如图1011所示。光源6经聚光镜5成平行光束以一定的角度通过场镜3射向指示光栅2，莫尔条纹是由主光栅1反射回来的光线与指示光栅2作用形成的，经反射镜4反射后由物镜7成象被硅光电

6、池8接收。,（二） 分光式光学系统,光源1发出的光经聚光镜2变成平行光投射到光栅副3、4上，经衍射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜6将与光轴平行的某r级组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件8上，用光阑7挡住会聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑7有一条窄缝，其方向平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，会聚于光电元件8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔条纹信号实现测量。 图1013 为四分透镜分光式电路。,1、透射分光式光学系统 图1012所示 ：,2、反射分光式光学系统,图1014所示 ：光源1发出的光经准直透

7、镜2变成平行光束垂直入射到分光棱镜3，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光线射到闪耀光栅4的A、B两点。闪耀光栅具有等腰三角形线槽。使光栅在自准状态下工作，即光束垂直投射到线槽面时，由物理光学可知，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光棱镜3。这样，由A、B两处返回的两路衍射光经分光棱镜3都投射到透镜5。这两路衍射光是相干的，相遇后发生干涉，产生的条纹图象经透镜5由光电元件6接收。,六、光栅传感器设计要点,设计光栅传感器的要求： 能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的干扰不敏感； 能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号； 工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易； 在满足精度要求

8、的前提下，尽量使结构简单，制造容易 若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简化电路。 光栅传感器组成： 照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。,（一） 照明系统,照明系统主要由光源和透镜组成，有时需要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照明光束。,1、光源的选择 光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种 单色光源有激光、汞灯等， 普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡，,2、准直透镜参数的确定,透镜的通光口径 透镜的型式和焦距 栅距较大，而光栅间 间隙较小时，常采用单片 平凸透镜，并使平面朝向 灯丝以减小象差。 在大间隙时，为减小象 差，特别是色差，应采用 双片平凸透镜，并使两者 的平面都朝向灯丝，或者 用消象差的双胶合透镜。,（二） 光栅副,1、主光栅 材料的选择 制作光栅的材料有玻璃和金属两类。 栅距的选择 栅线线宽和长度的选择 2、指示光栅 指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况外，都和主光栅的栅距相等。指示光栅的直径同准直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元件的尺寸确定。,（三） 光电接收元件,1、硅光电池 硅光电池工作面积大，不需外加电源。受光照面为正极，背