現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)

現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.1光電傳感器概述5.1.1光電式傳感器的組成原理5.1.2特點(diǎn)及應(yīng)用5.1.3光電式傳感器的一般形式第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.1.1光電式傳感器的組成原理工作原理：系統(tǒng)組成：光源光通路光電元件測量電路光光電電y被測量x1被測量x2光→敏感元件→電敏感元件：光電元件光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)測量方式：改變光源：改變光路：方式：第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三特點(diǎn)：應(yīng)用：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠、精度高光光學(xué)量：光強(qiáng)、光照度、輻射、氣體成分、幾何量：形狀、尺寸、位移、距離、表面粗糙度、形位誤差力學(xué)量：應(yīng)變、速度、加速度、振動(dòng)、流量、密度生化量：離子濃度、熒光、電泳、染色體、分子標(biāo)記、5.1.2特點(diǎn)及應(yīng)用第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.1.3光電式傳感器的一般形式透射式：光→被測物→光電元件（透射）測量透明、半透明固體透明度、液體混濁度、氣體濃度；1.模擬式光電傳感器

反射式：光→被測物→光電元件（反射）測量物體表面反射率、粗糙度、距離、位置、振動(dòng)；遮光式：光→被測物→光電元件（部分遮光）測量物體位移、振動(dòng)、速度；輻射式：被測物→光→光電元件，輻射強(qiáng)度測量輻射溫度、放射線；第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.1.3光電式傳感器的一般形式轉(zhuǎn)速傳感器透射式：2.脈沖式光電傳感器

反射式：轉(zhuǎn)速傳感器光源－碼盤－光電元件轉(zhuǎn)速越高－脈沖頻率越高碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)－遮光－透光－脈沖頻閃式：第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2常用光源5.2.1對(duì)光源的要求5.2.2熱輻射光源5.2.3氣體放電光源5.2.4發(fā)光二極管(LED)5.2.5激光光源第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.1對(duì)光源的要求紫外→可見光→紅外照度要求：足夠亮度、光通量，保證信噪比和靈敏度均勻要求：視場亮度均勻、無陰影，避免測量誤差光譜要求：光波頻率、波長：投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射發(fā)熱要求：熱光源、冷光源，減小發(fā)熱對(duì)測量結(jié)果的影響全光譜波長：10-1410-1210-1010-810-610-410-21mcmmmmnmà可見光380400500600700780nm紫400藍(lán)435橙605紅685黃575綠525青470紫外光紅外光可見光：380nm～780nm紅外光：780nm~1m紫外光：1nm~380nm第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.2熱輻射光源器件：白熾燈---鎢絲（1879年，愛迪生）特點(diǎn)：應(yīng)用：可見光源---寬光譜（濾色片→窄帶光譜，避免雜光干擾→儀器）原理：高溫物體→光輻射，溫度高→輻射能大鹵鎢燈---鎢絲+鹵素（碘），鹵素+內(nèi)壁鎢→鹵化鎢→受熱分解→鎢→沉積到鎢絲譜線豐富，可見光+紅外光，峰值在近紅外區(qū)發(fā)熱大，>80%能量轉(zhuǎn)化為熱能，→熱光源壽命短（1000小時(shí)），易碎，電壓高，有危險(xiǎn)近紅外光源---紅外檢測發(fā)光效率低，15%在可見光，+惰性氣體→提高壽命第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.3氣體放電光源原理：氣體分子激發(fā)→放電→發(fā)光器件：弧光燈---碳弧燈特點(diǎn)：效率高，省電應(yīng)用：強(qiáng)光、色溫要求接近日光熒光燈---氣體放電+熒光粉，波長更長日光燈：光譜接近日光節(jié)能燈：壓縮熒光燈，鈉弧燈氙弧燈水銀弧燈(汞燈)金鹵燈功率大，光色接近日光，紫外線豐富有輻射，廢棄物有汞污染、易碎頻率低，對(duì)人眼有損害，第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.4發(fā)光二極管(LED)原理：半導(dǎo)體，電致發(fā)光，器件：特點(diǎn)：體積小，可平面封裝，固體光源，無輻射，綠色光源應(yīng)用：儀器光源、室內(nèi)照明、單色LED：紅色、綠色、黃色、橙色、藍(lán)色白色LED：2001,美國波士頓大學(xué)光學(xué)研究中心應(yīng)用：指示燈、背光源光譜豐富---（籃+黃）/（籃+綠+紅）亮度高---熒光燈5倍，白熾燈的25倍功耗低（白熾燈1/8，熒光燈1/2）、發(fā)熱少壽命長（10萬小時(shí)，是熒光燈的10倍）、耐振動(dòng)響應(yīng)快（毫秒級(jí)）、供電電壓低、易于數(shù)字控制價(jià)格較白熾燈貴，功率低，亮度小，第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.5激光光源原理：特點(diǎn)：外界光→光原子→能級(jí)躍遷→受激輻射→光放大→諧振→輻射激光方向性好---發(fā)散角很小(約0.18o)，比普通光小2~3數(shù)量亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高幾百萬倍單色性好---光譜范圍極小，頻率單一；（He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm） 相干性好---受激輻射，傳播方向/振動(dòng)方向/頻率/相位一致時(shí)間相干性、空間相干性均好LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“受激輻射放大產(chǎn)生的光”第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.2.5激光光源固體激光器：體積小，堅(jiān)固，功率高氣體激光器：小巧、單色性好、能連續(xù)工作、功率小；高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性、長壽命、低噪音、經(jīng)濟(jì)；紅外固體激光器綠色固體激光器紅寶石固體激光器He-Ne激光器He-Cd激光器He-Cd激光器（制冷）第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三半導(dǎo)體激光器：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、功率小、非線性藍(lán)色/紫色激光紅色激光近紅外小功率染料激光器離子激光器藍(lán)色激光器5.2.5激光光源第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3光電效應(yīng)及光電元件

5.3.1外光電效應(yīng)及其器件5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及器件第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.1外光電效應(yīng)及其器件1.外光電效應(yīng)特點(diǎn)：速度快---從光照射到釋放電子時(shí)間不超過10-9秒。原理：光→金屬物體表面→電子獲得光子的能量應(yīng)用：足夠的光強(qiáng)，高速光電開關(guān)光子能量>表面溢出功→電子逸出表面→光電子發(fā)射需足夠光能---光子能量>表面溢出功頻率下限f0---當(dāng)f<f0

時(shí)無激發(fā)電子→“紅限”金屬銫Cs鈉Na鋅Zn銀Ag鉑Ptf0/Hz*10150.450.600.811.151.930/nm660500372260156器件：光電管、光電倍增管第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.1外光電效應(yīng)及其器件原理：光→陰極→發(fā)射光電子→陽極→空間電子流→外接電阻→壓降U=f(I)2.光電管特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，充入惰性氣體→氣體轟擊→自由電子→靈敏度靈敏度較高：20～200μA/lm暗電流小，最低可達(dá)10-14A體積比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)千伏、玻殼容易破碎等。

第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.1外光電效應(yīng)及其器件3.光電倍增管原理：光→陰極→光電倍增極→陽極→電流使用電路：應(yīng)用：開關(guān)測量→光電開關(guān)，計(jì)數(shù)一般情況下，直流供電，各級(jí)電壓均相等，約80V，總電壓約1000V并聯(lián)電容：避免陽極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件原理：導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶半導(dǎo)體能帶圖光→半導(dǎo)體→價(jià)帶電子吸收能量→躍遷至導(dǎo)帶→電子-空穴對(duì)→導(dǎo)電特性種類：內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)條件：光子能量>材料禁帶寬度第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件1.光電導(dǎo)效應(yīng)及器件

器件：光敏電阻原理：光→半導(dǎo)體→電子-空穴對(duì)→導(dǎo)電性→電阻↓原理：半導(dǎo)體電阻器件，加直流偏壓，無極性無光照---電子-空穴對(duì)很少---電阻大(暗電阻)

有光照---電子-空穴對(duì)增多---導(dǎo)電性增強(qiáng)特點(diǎn)：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定；批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜；材料：半導(dǎo)體---硫化鎘CdS、硒化鎘CdSe；第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化---開關(guān)元件，快速響應(yīng)家電---(感應(yīng)式節(jié)能燈：判斷照度)特性：光譜特性:動(dòng)態(tài)特性:為非線性，不易作線性檢測元件存在單峰，應(yīng)與光源光譜匹配動(dòng)態(tài)特性較好，響應(yīng)時(shí)間0.1S~0.001S結(jié)構(gòu)：梳妝電極:金屬封裝：防潮光照特性：第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件2.光生伏特效應(yīng)及器件

原理：光→PN結(jié)（無偏置）→電子遷移電子→N,空穴→P→電勢(shì)器件：光敏二極管（PD）光敏三極管（PT）光電池（硅、鍺）

PIN光電二極管雪崩光電二極管光可控硅陣列式光電器件象限式光電器件位置敏感探測器（PSD）光電耦合器件（CCD）

第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(1)光敏二極管（光電二極管,PD:Photo-Diode）

原理：PN結(jié)PN光照特性:應(yīng)用：線性轉(zhuǎn)換元件，開關(guān)元件，特性：光譜特性:無光時(shí)---高阻特性，微弱電流—暗電流，μA

光照時(shí)---電子→N,空穴→P→光電流光照愈強(qiáng)---光電流愈大注意：a)電路連接同一般二極管，

輸出電流小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安

b)入射光角度限制動(dòng)態(tài)特性:單峰性動(dòng)態(tài)特性好靈敏度和線性好，第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(2)光敏三極管（光電三極管,PT:Photo-Triode）

原理：光敏二極管（bc結(jié)）+三極管特點(diǎn)：光照特性---靈敏度高于光敏二極管，非線性，不如光電二極管。應(yīng)用：開關(guān)元件：光譜特性---單峰性光電鼠標(biāo)接收器、打印機(jī)打印頭位置傳感器、光電耦合器、車速傳感器、紅外遙控器、注意：a)電路連接:b)入射光角度限制第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件連接方式：(a)開路電壓輸出:(b)短路電流輸出:特性：光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強(qiáng))，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強(qiáng))，靈敏度低應(yīng)用：宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表(計(jì)算器)---

開關(guān)測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）特點(diǎn)：有源器件，無污染，輕便、簡單、動(dòng)態(tài)特性好（硅），

工作于可見光波段---太陽能電池(3)光電池

原理：光→PN結(jié)（無偏置）→電子遷移電子→N,空穴→P→電動(dòng)勢(shì)光譜特性---硅電池：0.5~1.2μm(紅-紅外)，峰值0.8μm(近紅外)

鍺電池：0.3~0.7μm(紫-紅)，峰值0.5μm(綠)第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(4)PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD）結(jié)構(gòu)：PN+II-高電阻率的本征半導(dǎo)體（厚）

PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小

特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz，響應(yīng)速度快，靈敏度高，線性輸出范圍寬，線性好輸出電流小（數(shù)微安），電阻很大應(yīng)用：用于光通訊，光測量第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(5)雪崩光電二極管雪崩效應(yīng)：工作電壓很高（100～200V），接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子得到極大加速，同時(shí)與晶格碰撞，從而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。

特點(diǎn)：有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百，靈敏度高響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前最快的一種光電二極管噪聲大（隨機(jī)），線性差應(yīng)用：用于光通訊、脈沖編碼第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(6)陣列式結(jié)型光電器件

構(gòu)成：利用集成電路技術(shù),

使幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線

特點(diǎn)：光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理

應(yīng)用：可用來辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向

第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件(7)位置敏感器件（PSD-PositionalSensitiveDevice）

原理：光→光電二極管→空穴由N向P移動(dòng)空穴→1端→I1

空穴→2端→I2

比值：應(yīng)用：位置檢測(一維、二維)（8）四象限光電池原理：集成4光電池---四象限光斑→4分量→I1、I2、I3、I4

；ⅠⅡⅢⅣ應(yīng)用：二維位置檢測，準(zhǔn)直比值：（9）固態(tài)攝像器件（CCD）第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件說明：對(duì)于各種光電元件：（1）暗電流：無光照時(shí)輸出電流→熱噪聲（2）溫度特性：溫度→靈敏度、光譜特性→降溫、恒溫、溫度補(bǔ)償（3）器件材料：硅好于鍺第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4光電編碼器5.4.1絕對(duì)式光電編碼器

5.4.2增量編碼器

第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.1絕對(duì)式光電編碼器原理：平行光源→碼盤→光電元件→電信號(hào)輸出碼盤：光學(xué)玻璃，透光/不透光同心圓環(huán)---碼道光源：LED→光學(xué)系統(tǒng)→平行光→投影光電元件：硅光電池，光電晶體管每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)一個(gè)光電元件任意角位置：每個(gè)碼道---透光=1/不透光=0

多個(gè)碼道---0101---絕對(duì)碼；外圈碼道–低位，變化快；內(nèi)圈碼道–高位，變化慢；組成：日本OMRON

1.概述 第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.1絕對(duì)式光電編碼器提高精度測量電路：放大→足夠電平，驅(qū)動(dòng)整形→接近理想方波細(xì)分→提高分辨率（光學(xué)+電路）角度分辨率：碼道數(shù)分辨率變碼器位數(shù)n-碼道數(shù)增加碼道增大碼盤尺寸有限光學(xué)細(xì)分附加碼道碼盤：透光/不透光→照相腐蝕分度準(zhǔn)確、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光電元件：滯后→響應(yīng)速度第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.1絕對(duì)式光電編碼器

例：19位光電編碼器:角分辨率：α=360o/219=2.47”

附加碼道：周期與內(nèi)碼道最低位

(最外)對(duì)應(yīng)14位內(nèi)碼道+1位專用附加碼道360/214=1.3→19位???光電元件：兩個(gè)，相距1/4周期→正弦波+余弦波電路處理：插值、移相→過零脈沖→細(xì)分→16正弦波→32個(gè)等分點(diǎn)→5附加位第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.1絕對(duì)式光電編碼器

2.編碼碼制

十進(jìn)制碼：0123456789二進(jìn)制碼：00000001001000110100格雷碼：循環(huán)碼，簡單，直觀，不易電路處理簡單，易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理。多位碼同時(shí)動(dòng)作→同步誤差→錯(cuò)碼000100100000：誤差20011：誤差1相鄰兩數(shù)只有一位不同→每次只有一位變化有低位開始依次循環(huán)變化0000000100110010第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光電編碼器碼制第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.1絕對(duì)式光電編碼器3.特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，摩擦輪編碼器4.應(yīng)用：小范圍絕對(duì)位置測量---角度、直線位置直接數(shù)字量輸出---數(shù)字傳感器絕對(duì)碼輸出---絕對(duì)角位置傳感器（角度編碼器），測量范圍有限---360o（可增加記憶圈數(shù)來擴(kuò)大范圍）速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）---光電元件動(dòng)態(tài)相應(yīng)不怕震動(dòng)、振擺，測量過程不丟數(shù)，不怕斷電例：直線→旋轉(zhuǎn)<360o半閉環(huán)位置控制---編碼器+電機(jī)伺服電機(jī)（控制電機(jī)+編碼器）第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.2增量編碼器1.結(jié)構(gòu)與原理

碼道：最外---增量碼道：透光扇形區(qū)中間---辨向碼道：與增量碼道錯(cuò)開半個(gè)扇形區(qū)最內(nèi)---零位碼道：透光狹縫→基準(zhǔn)脈沖測量電路：放大，整形，驅(qū)動(dòng)，辨向

,細(xì)分,計(jì)數(shù)辨向---判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向細(xì)分---提高測量分辨力原理：增量碼道：透光/不透光→輸出脈沖辨向碼道：與增量碼道錯(cuò)開1/4周期正弦信號(hào)+余弦信號(hào)正轉(zhuǎn)脈沖or反轉(zhuǎn)脈沖零位碼道：透光狹縫→基準(zhǔn)脈沖→零位第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.2增量編碼器2.特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，3.應(yīng)用：相對(duì)位置、位移測量---角度、直線位置，機(jī)床導(dǎo)軌、機(jī)械光學(xué)鼠標(biāo)編碼器門電路計(jì)數(shù)器時(shí)鐘控制器轉(zhuǎn)速輸出例：速度測量：脈沖輸出---數(shù)字（量）傳感器測量范圍無限---受計(jì)數(shù)器位數(shù)限制速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）---光電元件動(dòng)態(tài)相應(yīng)增量碼輸出---測量角位移（旋轉(zhuǎn)編碼器）怕振動(dòng)、振擺、斷電---丟數(shù)第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.4.2增量編碼器應(yīng)用實(shí)例：位標(biāo)器電鎖精度測試儀注意：1、防震、防塵、防水2、編碼器與轉(zhuǎn)軸連接

---彈性連軸結(jié)要求：測角范圍：±45

測量精度：±2

增量碼－18000脈沖，1.2第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三隨堂作業(yè)為一個(gè)旋轉(zhuǎn)分度頭（±90

）增加角度數(shù)顯裝置，要求分辨力為1′請(qǐng)問：(1)可采用哪一種編碼器，為什么？(2)請(qǐng)給出編碼器的主要指標(biāo)。(3)核算能夠達(dá)到的實(shí)際分辨力。

解：(1)可采用絕對(duì)碼編碼器，因?yàn)樾枰獪y量絕對(duì)角位置(2)絕對(duì)碼編碼器的主要指標(biāo)是位數(shù)n： 360/2n≤1/602n≥21600214=16384215=32768n=15(3)實(shí)際分辨力：360*60/32768=0.66′

錯(cuò)誤1：n=14

錯(cuò)誤2：180/2n

錯(cuò)誤3：180/214=0.66′?

第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5光柵傳感器5.5.1光柵傳感器原理

5.5.2光柵傳感器結(jié)構(gòu)5.5.3圓光柵5.5.4光柵傳感器的電路系統(tǒng)5.5.5零位光柵第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.1光柵傳感器原理1.莫爾條紋（Moire）原理

構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；條紋寬度：W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b

，a=b=W/2

均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)指示光柵---動(dòng)光柵第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.1光柵傳感器原理特例：當(dāng)=0,w1=w2→B=

→光閘莫爾條紋，當(dāng)=0,w1≠w2→縱向莫爾條紋莫爾條紋特性：方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)→與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距→莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)放大性：夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準(zhǔn)確性：大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個(gè)別/局部誤差→提高精度第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.1光柵傳感器原理2.光柵傳感器原理與特點(diǎn)

①精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″②量程大：透射式---光柵尺長（1~3米），反射式---幾十米~幾百米③響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測量④增量式：增量碼測量→計(jì)數(shù)斷電→數(shù)據(jù)消失⑥成本高：電路復(fù)雜原理：位移→指示光柵移動(dòng)→摩爾條紋移動(dòng)→計(jì)數(shù)測量特點(diǎn)：⑤要求高：對(duì)環(huán)境要求高→溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.2光柵傳感器結(jié)構(gòu)透射式---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光反射式---光源與光電元件同一側(cè)→反射光組成：1–主光柵尺（定光柵）4–透鏡

2–指示光柵（動(dòng)光柵）5–光源

3–光電元件透射式光柵（封閉式：）：原理：光源→指示光柵→透射→主光柵→光電元件德國Heidenhain（海德漢）：量程270mm，分辨力1nm量程1440mm，分辨力0.01m照明第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.2光柵傳感器結(jié)構(gòu)反射式光柵：原理：光源→主光柵→反射→指示光柵→光電元件組成：1–主光柵尺（定光柵）

2–指示光柵（動(dòng)光柵）

3–光電元件

4–透鏡

5–光源英國Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m

0.01m第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.2光柵傳感器結(jié)構(gòu)直線型：動(dòng)光柵直線移動(dòng)→測量直線位移旋轉(zhuǎn)型：動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)→測量旋轉(zhuǎn)角度（主光柵一般為直尺形，莫爾條紋為直線形）主光柵為圓環(huán)形→旋轉(zhuǎn)光柵主光柵為圓盤形→圓光柵（莫爾條紋為圓/弧形）（莫爾條紋為直線形）運(yùn)動(dòng)直線型：旋轉(zhuǎn)型：第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.3圓光柵光柵：兩塊，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同：在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋其他位置上，稱為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同，不同曲率半徑---圓弧形莫爾條紋轉(zhuǎn)動(dòng)：圓弧摩爾條紋徑向輻射移動(dòng)。1.徑向圓光柵第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.3圓光柵2.切向光柵光柵：兩塊光柵，切向刻線（基圓），切向相同，柵距角相同基圓半徑不同，柵線面相對(duì)同心疊合，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇

---環(huán)形莫爾條紋寬度也不是定值，隨位置不同而不同。轉(zhuǎn)動(dòng)：圓弧摩爾條紋徑向輻射移動(dòng)。特點(diǎn)：具有全光柵平均效應(yīng)，用于高精度角度測量和分度。第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.3圓光柵光柵：兩塊光柵，環(huán)形刻線，完全相同，偏心疊合，3.環(huán)形光柵條紋：近似直線并成輻射方向

---輻射形莫爾條紋。

轉(zhuǎn)動(dòng)：輻射摩爾條紋周向轉(zhuǎn)動(dòng)。第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.4光柵傳感器的電路系統(tǒng)1.光電轉(zhuǎn)換

光電元件：硅光電池、光電二極管（直流分量+正弦信號(hào)）光柵輸出：光強(qiáng)信號(hào)→明暗條紋→同步移動(dòng)一點(diǎn)觀察：光柵移動(dòng)→光強(qiáng)變化電路職能：計(jì)數(shù)、辨向、細(xì)分；第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期三5.5.4