10光栅传感器重点课件

第10章 光栅传感器,一、光栅传感器的结构,二、莫尔条纹形成原理及特点,三、光栅传感器的应用,第10章 光 栅 传 感 器,光栅是由许多具有等节距刻线分布的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。,光栅式传感器有如下特点：,1.精度高。,2.大量程测量兼有高分辨力。,3.可实现动态测量。,4.具有较强的抗干扰能力。,按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。,1）物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。,2）计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物理量。,本章主要介绍计量光栅的原理与应用。,一、光栅传感器的结构,光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,光栅传感器光源：,钨丝灯泡：,输出功率较大，工作范围较宽（,-40,到,+130,）,与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。,半导体发光器件:,转换效率高，响应特征快速。,如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达,30%,左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十,ns,，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。,光栅副：指示光栅主光栅,a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）,通常情况下，a=b=W/2,径向圆光栅,切向圆光栅,光电元件,包括有,光电池,和,光敏三极管,等部分。,在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。,在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。,二、莫尔条纹形成的原理,横向莫尔条纹的斜率,莫尔条纹间距,2.1 线光栅莫尔条纹,W,1,=W,2,，且很小时,2.2 径向圆光栅莫尔条纹,两块节距角都是的径向光栅偏心叠合，其圆中心相距为2S，则莫尔条纹方程为,2.3 切向圆光栅莫尔条纹,两块节距角都是，内切小圆半径都是r的切向光栅同心叠合，则莫尔条纹方程为,三、莫尔条纹技术的特点,（2）位移放大作用,当两光栅交角很小时，相当于把栅距w放大了1/倍。当=0时，B,称为光闸莫尔条纹。,(3)同步性,光栅运动一个栅距w，莫尔条纹相应移动一个条纹间距。,(1)条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应,在保持两光栅交角一定的情况下，使一个光栅固定，另一个光栅沿栅线的垂直方向运动，则莫尔条纹将沿栅线方向移动。若光栅反向运动，则莫尔条纹的移动方向也相应反向。,径向光栅进行角度测量,当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，,测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。,四、光栅的光路,透射光路,反射光路,（1）透射式光路,1-光源,2-准直透镜,3-主光栅,4-指示光栅,5-光电元件,此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。,特点：,结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。,（2）反射式光路,1反射主光栅,2-指示光栅,3-场镜,4-反射镜,5-聚光镜,6-光源,7-物镜,8-光电电池。,该光路适用于黑白反射光栅。,五、辨向原理,单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就,不能判别运动零件的运动方向,，以致不能正确测量位移。,如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。,辨向光路设置,在相距B,h,/4的位置上设置两个光电元件1和2，,以得到两个相位互差90的正弦信号,辨向电路,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中,减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。,辨向电路各点波形图,六 细分技术,提高分辨力方法,：,在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。,细分,就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。,直接细分,直接细分,又称,位置细分,，常用的细分数为,4,。四细分可用,4,个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。,优点：,对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。,缺点：,光电元件安放困难，细分数不能太高。,未细分(a)与细分(b)的波形比较,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头,（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长磁栅,扫描头,（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,投影栅测量三维物体形貌,令：,T-光栅的周期,D-摄像机镜头和光栅投影仪镜头光心间的距离,L-摄像机镜头和光栅投影仪镜头光心连线到参考平面的距离,(x,y)-物体表面变形光栅与参考平面上光栅的相位差,则 被测物体表面高度为,四步相移法测量方法,将四幅相位差为90的光栅依次投影于物体表面，得到四幅变形光栅图案。,四幅变形光栅的光强分布为,则,称为包裹相位,