傳感技術(shù)與應(yīng)用第二版第10章光柵傳感器

《傳感技術(shù)與應(yīng)用》（第二版）傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!第10章光柵傳感器光柵傳感器——利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量測(cè)量的裝置光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)

高精度、高分辨率和大動(dòng)態(tài)范圍，因而廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域。一、光柵基礎(chǔ)知識(shí)

（一）、光柵分類及結(jié)構(gòu)1、光柵分類

按其原理和用途可分為物理光柵和計(jì)量光柵。按其透射形式可分為透射式光柵和反射式光柵。按光柵表面結(jié)構(gòu)不同，可分為幅值光柵和相位光柵按光柵應(yīng)用分類，可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。目前發(fā)展了激光全息光柵和偏振光柵等新型光柵

2、光柵的結(jié)構(gòu)光柵——由大量等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!（二）莫爾條紋原理與特點(diǎn)

莫爾條紋具有三個(gè)特點(diǎn)：1、莫爾條紋具有位移放大作用2、莫爾條紋移動(dòng)與光柵移動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系3、誤差減小作用莫爾條紋——亮帶與暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋是由主光柵和指示光柵的透光與遮光效應(yīng)形成的。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!莫爾條紋演示傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!（三）辨向原理當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)條紋的亮度變化規(guī)律完全一樣，相位相差π/2。滯后還是超前完全取決于光柵的移動(dòng)方向，這種區(qū)別運(yùn)動(dòng)方向的方法稱為位置細(xì)分辨向原理。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!（二）直接細(xì)分

直接細(xì)分法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形無嚴(yán)格要求，電路簡(jiǎn)單，可用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。缺點(diǎn)是光電元件安放困難，因而細(xì)分不能過高。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!四、光柵傳感器的誤差

單件光柵的誤差是由刻劃工藝和刻劃設(shè)備決定的。計(jì)量光柵大多數(shù)是在構(gòu)成莫爾要紋的情況下使用。由于莫爾條紋的平均誤差作用，使局部刻劃誤差的影響大大減小。長(zhǎng)光柵柵距誤差一般為微米（μm）數(shù)量級(jí)，圓光柵為秒（”）角數(shù)量級(jí)。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!2、反射直讀式光路光源6經(jīng)聚光鏡5成平行光束以一定的角度通過場(chǎng)鏡3射向指示光柵2，莫爾條紋是由主光柵1反射回來的光線與指示光柵2作用形成的，經(jīng)反射鏡4反射后由物鏡7成象被硅光電池8接收。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2、反射分光式光學(xué)系統(tǒng)光源1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變成平行光束垂直入射到分光棱鏡3，經(jīng)過半透分光面時(shí)被分成CD、CE兩束光線射到閃耀光柵4的A、B兩點(diǎn)。閃耀光柵具有等腰三角形線槽。使光柵在自準(zhǔn)狀態(tài)下工作，即光束垂直投射到線槽面時(shí)，由物理光學(xué)可知，最大強(qiáng)度的衍射光將沿原路反射回分光棱鏡3。這樣，由A、B兩處返回的兩路衍射光經(jīng)分光棱鏡3都投射到透鏡5。這兩路衍射光是相干的，相遇后發(fā)生干涉，產(chǎn)生的條紋圖象經(jīng)透鏡5由光電元件6接收。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!（一）照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)主要由光源和透鏡組成，有時(shí)需要設(shè)置光闌，也有的采用光導(dǎo)纖維傳輸照明光束。1、光源的選擇光柵傳感器的光源有單色光和普通白光兩種單色光源有激光、汞燈等，普通光源多用光學(xué)儀器用6V6W白熾燈泡，

傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!（二）光柵副1、主光柵①材料的選擇

制作光柵的材料有玻璃和金屬兩類。

②柵距的選擇

③柵線線寬和長(zhǎng)度的選擇

2、指示光柵指示光柵用光學(xué)玻璃制作，其柵距除少數(shù)特殊情況外，都和主光柵的柵距相等。指示光柵的直徑同準(zhǔn)直透鏡的直徑相等，柵線的刻劃區(qū)域依光電接收元件的尺寸確定。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!

二、光柵傳感器的工作原理（一）光電轉(zhuǎn)換原理

光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：1、光源，2、聚光鏡，3、主光柵（又稱標(biāo)尺光柵），4、指示光柵，5光敏元件（二）莫爾條紋測(cè)量位移原理

當(dāng)光電元件5接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，電信號(hào)則變化一個(gè)周期。當(dāng)波形重復(fù)到原來的相位和幅值時(shí)，相當(dāng)于光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距W，如果光柵相對(duì)位移了N個(gè)柵距，此時(shí)位移x=NW。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!三、莫爾條紋細(xì)分技術(shù)

（一）細(xì)分方法：1、增加光柵刻度密度。2、對(duì)電信號(hào)進(jìn)行電子細(xì)分。把一個(gè)周期變化的莫爾條紋信號(hào)再細(xì)分，即增大一周期的脈沖數(shù)，稱為倍頻法。在電子細(xì)分中又可分為直接細(xì)分、電橋細(xì)分、示波管細(xì)分和鎖相細(xì)分等。

3、機(jī)械和光學(xué)細(xì)分。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!（三）電位器橋細(xì)分

為了得到較高的細(xì)分?jǐn)?shù)，將直接細(xì)分得到的四個(gè)相位差為π/2的正弦交流信號(hào)UmSinφ、UmCosφ、-UmSinφ、-UmCosφ（φ=2πX/ω）輸入到電位器橋，電位器橋常用于進(jìn)行12～60（為4的整倍數(shù)）細(xì)分。

一種用于48細(xì)分的電位器電橋細(xì)分電路如圖10—8所示。

傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!五、常用光學(xué)系統(tǒng)

（一）直接接收式光學(xué)系統(tǒng)

1、透射直讀式光路光源1發(fā)射的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變成平行光束，垂直投射到主光柵3上，它和指示光柵4形成的莫爾條紋信號(hào)直接由光電元件5接收。

圖示為數(shù)控機(jī)床中的小型光柵式傳感器

傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!（二）分光式光學(xué)系統(tǒng)光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2變成平行光投射到光柵副3、4上，經(jīng)衍射后在無限遠(yuǎn)處形成莫爾條紋。用聚光鏡6將與光軸平行的某r級(jí)組的衍射式光聚集于放在焦面處的光電元件8上，用光闌7擋住會(huì)聚于光軸兩側(cè)的其它級(jí)組的衍射光。光闌7有一條窄縫，其方向平行地橫向莫爾條紋的方向，用以在光柵面上截取一條光縫，限制光電元件接收視場(chǎng)面的大小，使之在主光柵移過一個(gè)柵距時(shí)，會(huì)聚于光電元件8上的光強(qiáng)亮暗變化一次，從而能夠接收互莫爾條紋信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。1、透射分光式光學(xué)系統(tǒng)傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!六、光柵傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)光柵傳感器的要求：①能輸出穩(wěn)定的信號(hào)，對(duì)來自機(jī)械、光學(xué)及電路等方面的干擾不敏感；②能方便地輸出多相（一般要求兩相或四相）信號(hào)；③工作壽命長(zhǎng)，更換元器件簡(jiǎn)便，調(diào)整方便、容易；④在滿足精度要求的前提下，盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易⑤若有光學(xué)倍頻作用，可以減小電子細(xì)分的倍數(shù)，從而簡(jiǎn)化電路。光柵傳感器組成：

照明系統(tǒng)、光柵副、光電接收元件和機(jī)械部件。傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!2、準(zhǔn)直透鏡參數(shù)的確定①透鏡的通光口徑

②透鏡的型式和焦距

柵距較大，而光柵間間隙較小時(shí)，常采用單片平凸透鏡，并使平面朝向燈絲以減小象差。在大間隙時(shí)，為減小象差，特別是色差，應(yīng)采用雙片平凸透鏡，并使兩者的平面都朝向燈絲，或者用消象差的雙膠合透鏡。

傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器共19頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!（三）光電接收元件

1、硅光電池

硅光電池工作面積大，不需外加電源。受光照面為正極，背面為負(fù)極，結(jié)構(gòu)為一薄片，體積不大，外形有方形和