《傳感技術(shù)與應(yīng)用》第二版第10章光柵傳感器課件

《傳感技術(shù)與應(yīng)用》（第二版）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（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。

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。（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。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。（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。

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)。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

（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)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。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。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。

（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。（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，外形有方形和圓形兩種。2、光電二