GS-莫爾效應(yīng)及光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書-2012-12-30

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案ZKY-GS莫爾效應(yīng)及光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案成都世紀(jì)中科儀器有限公司地址：成都市人民南路四段九號(hào)中科院成都分院郵編：610041電話：（028）8524700685213812傳真：（028）85247006網(wǎng)址；WWW.ZKY.CNE-mail:ZKY@ZKY.Cn2012-12-30精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案莫爾效應(yīng)及光柵傳感實(shí)驗(yàn)幾百年前，法國人莫爾發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)兩層被稱作莫爾絲綢的綢子疊在一起時(shí)將產(chǎn)生復(fù)雜的水波狀的圖案，如薄綢間相對(duì)挪動(dòng)，圖案也隨之幌動(dòng)，這種圖案當(dāng)時(shí)稱之為莫爾或者莫爾條紋。一般說，任何具有一定排列規(guī)律的幾何圖案的重合，均能形成按新規(guī)律分布的莫爾條紋圖案。1874 年，瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測(cè)手段，即根據(jù)條紋的結(jié)構(gòu)形狀來評(píng)價(jià)光柵尺各線紋間的間隔均勻性，從而開拓了莫爾計(jì)量學(xué)。隨著時(shí)間的推移，莫爾條紋測(cè)量技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種計(jì)量和測(cè)控中。在位移測(cè)量、數(shù)字控制、伺服跟蹤、運(yùn)動(dòng)比較、應(yīng)變分析、振動(dòng)測(cè)量，以及諸如特形零件、生物體形貌、服裝及藝術(shù)造型等方面的三維計(jì)測(cè)中展示了廣闊前景。例如廣泛使用于精密程控設(shè)備中的光柵傳感器，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 1μm的線位移和優(yōu)于 1"（1/3600 度）的角位移的測(cè)量和控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫饽獱柆F(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理了解光柵傳感器的結(jié)構(gòu)觀察直線光柵、徑向圓光柵、切向圓光柵的莫爾條紋并驗(yàn)證其特性用直線光柵測(cè)量線位移用圓光柵測(cè)量角位移實(shí)驗(yàn)原理莫爾條紋現(xiàn)象兩只光柵以很小的交角相向疊合時(shí) ,在相干或非相干光的照明下， 在疊合面上將出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋現(xiàn)象是光柵傳感器的理論基礎(chǔ)，它可以用粗光柵或細(xì)光柵形成。柵精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案距遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的光柵叫粗光柵，柵距接近波長(zhǎng)的光柵叫細(xì)光柵。直線光柵兩只光柵常數(shù)相同的光柵，其刻劃面相向疊合并且使兩者柵線有很小的交角 θ，則由于擋光效應(yīng)（光柵常數(shù) d>20μm）或光的衍射作用（光柵常數(shù) d<10μm），在與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋，如圖 1所示。d亮暗亮 2B暗 θ/2亮暗亮暗亮圖1 直線光柵莫爾條紋若主光柵與副光柵之間的夾角為 θ，光柵常數(shù)為 d，由圖 1的幾何關(guān)系可得出相鄰莫爾條紋之間的距離B為：dd（1）B2sin2式中θ的單位為弧度。由上式可知，當(dāng)改變光柵夾角θ，莫爾條紋寬度B也將隨之改變。當(dāng)兩光柵的光柵常數(shù)不相等時(shí)，莫爾條紋方程及莫爾條紋間隔的表達(dá)式推導(dǎo)見附錄1直線光柵的莫爾條紋有如下主要特性：同步性在保持兩光柵交角一定的情況下，使一個(gè)光柵固定，另一個(gè)光柵沿柵線的垂直方向運(yùn)動(dòng)，每移動(dòng)一個(gè)柵距 d，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距 B，若光柵反向運(yùn)動(dòng)，則莫爾條紋的移動(dòng)方向也相反。位移放大作用精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案當(dāng)兩光柵交角θ很小時(shí)，相當(dāng)于把柵距 d放大了1/θ倍，莫爾條紋可以將很小的光柵位移同步放大為莫爾條紋的位移。 例如當(dāng)θ＝0.06度＝π/3000 弧度時(shí)，莫爾條紋寬度比光柵柵距大近千倍。當(dāng)光柵移動(dòng)微米量級(jí)時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)毫米量級(jí)。這樣就將不便檢測(cè)的微小位移轉(zhuǎn)換成用光電器件易于測(cè)量的莫爾條紋移動(dòng)。測(cè)得莫爾條紋移動(dòng)的個(gè)數(shù) k就可以得到光柵的位移 L為 L=kd。誤差減小作用光電器件獲取的莫爾條紋是兩光柵重合區(qū)域所有光柵線綜合作用的結(jié)果。即使光柵在刻畫過程中有誤差，莫爾條紋對(duì)刻畫誤差有平均作用，從而在很大程度上消除柵距的局部誤差的影響，這是光柵傳感器精度高的重要原因。徑向圓光柵徑向圓光柵是指大量在空間均勻分布且指向圓心的刻線形成的光柵，相鄰刻線之間的夾角 α稱為柵距角。圖 2a是徑向圓光柵，圖 2b是兩只柵距角相同（即 α1=α2=α），圓心相距2S的徑向圓光柵相向疊合產(chǎn)生的莫爾條紋。a.徑向圓光柵 b.徑向圓光柵莫爾條紋圖2 徑向圓光柵及徑向圓光柵莫爾條紋若兩光柵的刻劃中心相距為 2S，在以兩光柵中心連線為 x軸，兩光柵中心連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系中，莫爾條紋滿足如下方程：22x2ySStan2k1（2）tanktank精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案徑向圓光柵莫爾條紋方程的推導(dǎo)見附錄 2。徑向圓光柵的莫爾條紋有如下特點(diǎn)：1) 當(dāng)其中一只光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓族將向外擴(kuò)張或向內(nèi)收縮。每轉(zhuǎn)動(dòng) 1個(gè)柵距角，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度。用光電器件測(cè)得莫爾條紋移動(dòng)的個(gè)數(shù) k就可以得到光柵的角位移 θ=kα。用徑向圓光柵測(cè)量角位移具有誤差減小作用。2) 莫爾條紋是由上下 2 組不同半徑，不同圓心的圓族組成。上半圓族的圓心位置為0,S，下半圓族的圓心位置為0,－S。條紋的曲率半徑為Stan2k1。tanktanktankk越大，莫爾條紋半徑越小，條紋間距也越小，所以靠近傳感器中心的莫爾條紋不易分辨，半徑最小值為S。兩光柵的中心坐標(biāo)（S，0）和（-S，0）恒滿足圓方程，所有的圓均通過兩光柵的中心。切向圓光柵切向圓光柵是由空間分布均勻且都與一個(gè)半徑很小的圓相切的眾多刻線構(gòu)成的圓光柵。當(dāng)如圖3a的兩只切向圓光柵相向疊合時(shí)， 兩只光柵的切線方向相反。圖 3b是兩只小圓半徑