第10章：光栅传感器-中国光学光电子行业网-光电.

1、光栅传感器光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量（线位移和倉位移）的 装置称为光栅传感器。光栅传感器的优点：高精度、高分辨率和大动态范围，且具有较强的抗干扰能力。因而广泛应用于 静态测量、动态测量和自动化等领域。一、光栅基础知识（一）、光栅分类及结构1、光栅分类按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑 白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅2、光栅的结构所i胃光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝 所组成的光学器件称为光

2、栅。圆光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长 线通过圆心；第二种是切线光栅，其栅线的延长线与 光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种是环形光栅， 其栅线为一簇等间距同心圆。横向莫尔条纹的斜率(-)莫尔条纹原理与特点莫尔条纹亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的。0tan a = tan-莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度Bh由光7长度和光栅夹角决定2莫尔条纹的特点： (1)调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽 度，起到了放大作用，又提高了测量精度； (2)莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化， 便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技 术”，这样可疑提高测量精度

3、； (3)光电元件对于光栅刻线的误差起到了平 均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度 没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻 线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通严标尺测量的主耍差别二、光栅传感器的工作原理(-)光栅传感器的结构光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件 组成。光栅副是光栅传感器的主要组成部分，由主 光栅(标尺光栅)和指示光栅组成。当标尺光栅相 对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生明暗交 替的变化，利用光电接收器件将莫尔条纹亮暗交替 的光信号，转换成电脉冲信号并用数字显示，从而 测量出标尺光栅的移动距离。光栅副：指示光栅+主光栅/放大(b)抬示光權lir-/ )(a)

4、上光栅|川1川111|11川|如图所示：透射光栅是在光学玻璃上均匀的刻上许多条纹，形 成规则排列的明暗线条。A为刻线的宽度，b为缝隙宽度， a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数)。通常情况下，a=b=W/2o刻线密度一般为每毫米10、25、50、 100线。指示光栅类似。(二)光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构： 1、光源，2、聚光镜，3、主光栅(又称标尺光 W) , 4、指示光栅，5光敏元件，如图4 (a)所Zjl O(b)14S3B211莫尔条纹 佻聲电必胃光强分布丄、丄（二）莫尔条纹测量位移原理当光电元件5接收到明暗相间的正弦信 号吋，根据光电转换原理将光信号转换为 电信号。当主

5、光栅移动一个栅距W吋，电信 号则变化一个周期。当波形重复到原来的相位和幅值时，相 当于光栅移动了一个栅距W,如果光栅相对 位移了N个栅距，此时位移x=NWo（三）辨向原理如图5所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度 变化规律完全一样，相位相差ti/2。滞后还是超前 完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向 的方法称为位置细分辨向原理。人莫尔条纹细分技术（一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变 化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期 的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又 可分为直接细分、电桥细分、示波管细分 和锁相细分等。 3、机械和光学细分。（二）直接细

6、分图6四倍频细分Ca）四路电IE信号波形51业2u3r1r1鋼I厂5678代代9丫直接细分法的优点是对莫尔 条纹信号波形无严格要求， 电路简单，可用于静态、动 态测量系统。缺点是光电元 件安放困难，因而细分不能 过高。（三）电位器桥细分为了得到较高的细分数，将直接 细分得到的四个相位差为TT/2的正弦 交流信号UmSincp、UmCoscp、- UmSincp、UmCoscp （p=2ttX/u）输 入到电位器桥，电位器桥常用于进行 12-60 （为4的整倍数）细分，如图 7所示。乩SiZ RR48u43 noooo36 u365212 严4磁幵 I。胡R如UmCosfO图8 4 8点电位黠电

7、桥细分电路图7电位器电桥细分f Sin令丄-UmCosf 氐 电位器电桥一种用于48 细分的电位 器电桥细分 电路如图8所O四、光栅传感器的误差单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备 决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔要 纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误 差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。长光栅栅距误差一般为微米（pm）数量级, 圆光栅为秒（”）角数量级。五、常用光学系统（一）常用的光学系统1、透射直读式光路一般的透射式光路如图9 （a）所示。光源1发射 的光经准直透镜2变成平行光束，垂直投射到主光 栅3上，它和指不光栅4形成的莫尔条纹信号直接由 光电元件5接收。（炖电矗图9Jo）光强分

8、布透射宜读式光学系统图10所示为数控机床中的小型光栅式传感器（刃结构示鳶图勿1一 4一壬一2 一一4匹路电压信号波形Z3 43=图：0小型直读式光路47/ 8Z3F图11反射直读式光路2、反射直读式光路如图门所示。光源6经 聚光镜5成平行光束以 一定的角度通过场镜3 射向指示光栅2,莫尔 条纹是由主光栅1反射 回来的光线与指示光 栅2作用形成的，经反 射镜4反射后由物镜7 成象被硅光电池8接收。(-)分光式光学系统1透射分光式光学系统图丄2所示:光源1发出的光经聚光镜2变成平行光投射到光栅副3、4,经衍 射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜6将与光轴平行的某r级 组的衍射式光聚集于放在焦面处的

9、光电元件8上，用光阑7挡住会 聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑7有一条窄缝，其方向 平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限 制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时， 会聚于光电元件8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔2、反射分光式光学系统图14所示：光源1发出的光经 准直透镜2变成平行光束垂直 入射到分光棱镜3,经过半透 分光面时被分成CD、CE対束 光线射到闪耀光栅4的A、B两 点。闪耀光栅具有等腰三角形 线槽c使光栅在自准状态下工 作，即光束垂直投射到线槽而 时，由物理光学可知，最大强 度的衍射光将沿原路反射冋分 光棱镜3。这样，山A、B两处 返

10、回的两路衍射光经分光棱镜 3都投射到透镜5。这两路衍 射光是相干的，相遇后发生干 j涉，产生的条纹图象经透镜5由光电元件6接收六、光栅传感器设计要点设计光栅传感器的要求： 能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的 干扰不敏感； 能方便地输出多相(一般要求两相或四相)信号： 工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易； 在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易 若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简 化电路。光栅传感器组成：照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。(-)照明系统照明系统主要由光源和透镜组成，有时需 要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照 明光束。光源的选

11、择光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种单色光源有激光、汞灯等，普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡,2、准直透镜参数的确定 透镜的通光口径 透镜的型式和焦距栅距较大，而光栅间 间隙较小时，常采用单片 平凸透镜，并便平面朝向 灯丝以减小象差。乡乡在大间隙时，为减小象差，特别是色差，应采用双片平凸透镜，并使两者的平面都朝向灯丝，或者L.图15准直透镜通光口径的确定丿IJ消象差的双胶合透镜（二）光栅副1、主光栅 材料的选择制作光栅的材料有玻璃和金属两类。 栅距的选择 栅线线宽和长度的选择2、指示光栅指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况 外，都和主光栅的栅距相等。指示光栅的直径同准 直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元 件的尺寸确定。（三）光