第16讲光栅位移传感器

1、项目六项目六单元二单元二.光栅位移传感器光栅位移传感器 单元一单元一. . 机械位移传感器机械位移传感器项目六、项目六、位移的检测位移的检测 项目六项目六单元二单元二. .光栅位移传感器光栅位移传感器单元目标：单元目标：通过光栅式位移传感器的线位移的检通过光栅式位移传感器的线位移的检测应用训练，达到了解常用光栅式传感器检测组测应用训练，达到了解常用光栅式传感器检测组件的外形和基本工作原理；熟悉工业常用的位移件的外形和基本工作原理；熟悉工业常用的位移检测方法；学会的光栅式位移传感器检测系统的检测方法；学会的光栅式位移传感器检测系统的安装、调试和维修的目的。安装、调试和维修的目的。 项目六项目六任

2、务一任务一. .认识光栅传感器认识光栅传感器活动活动1 1：了解光栅传感器的结构和类型了解光栅传感器的结构和类型 项目六项目六项目六项目六1. 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。 项目六项目六一一. 光栅式传感器光栅式传感器 - 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移利用光的莫尔条纹现象测量精密位移项目六项目六长光栅长光栅 - 直线位移；圆

3、光栅直线位移；圆光栅 - 角位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅动光栅长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )项目六项目六(1) 莫尔条纹（莫尔条纹（Moire） 条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔

4、条纹移动项目六项目六莫尔条纹特性：莫尔条纹特性： 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分

5、： 直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分： 透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光项目六项目六(3)圆光栅传感器圆光栅传感器光栅光栅 - 径向光栅、切向光栅、环形光栅径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅径向圆光栅 切向圆光栅切向圆光栅项目六项目六项目六项目六 径向光栅的圆弧形莫尔条纹径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅两块径向光栅 - 栅距角相同栅距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光栅不同区

6、域，光栅不同区域，栅栅线交角线交角不同不同- 圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹 （不同曲率半径）（不同曲率半径）条纹宽度条纹宽度 - 随位置变化随位置变化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 条纹近似垂直于栅线条纹近似垂直于栅线偏心方向上偏心方向上- 条纹近似平行于栅线条纹近似平行于栅线- 横向莫尔条纹横向莫尔条纹- 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹其他位置其他位置 - 斜向莫尔条纹斜向莫尔条纹实际应用实际应用特例特例 - 光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）主光栅（一个栅距角）- 透光量（一个周期）透光量（一个周期）莫尔条纹莫尔条纹 - 圆弧形、圆弧形、 环形、

7、辐射形环形、辐射形项目六项目六 切向光栅的环形莫尔条纹切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅两块切向光栅 -栅距角相同栅距角相同/ /切线圆半切线圆半径不同径不同/ /同心叠合同心叠合环形莫尔条纹环形莫尔条纹 - 以光栅中心为圆心的同心圆簇以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度条纹宽度 - 随条纹位置变化随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度应用：高精度角度测量和分度- 全光栅平均效应全光栅平均效应优点：优点： 环形环形光栅的辐射形莫尔条纹光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅两块环形光栅（相同）（相同）- 栅线相对栅线相对/ /不大的偏心量不大的偏心量辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹 - 条纹近似直线条纹近

8、似直线/呈辐射状呈辐射状特点：条纹数目特点：条纹数目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圆心连线方向圆心连线方向光栅旋转光栅旋转 - 条纹数目条纹数目/位置（不变）位置（不变）偏心量（一个栅距）偏心量（一个栅距）- 莫尔条纹数目莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动应用：主轴偏移、晃动项目六项目六项目六项目六(4) 光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量

9、码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 项目六项目六二二.激光干涉测量系统激光干涉测量系统单频激光干涉系统单频激光干涉系统项目六项目六双频激光干涉系统双频激光干涉系统- 信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）以上）项目六项目六双频激光干涉测量系统双频激光干涉测量系统项目六项目六三三.激光测距系统激光测距系统2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范围远距离测距（几千大范围远距离测距（几千

10、/几十千米）几十千米）1）脉冲测距法）脉冲测距法2）相位差测距法）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器激光短脉冲信号（激光器 被测目标）被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离远距离 - 固体固体/二氧化碳；近距离二氧化碳；近距离 - 半导体半导体巨脉冲激光器巨脉冲激光器 - 地球地球月球距离（分辨力：月球距离（分辨力：1m）激光束调制激光束调制 - 相位差相位差 - 时间时间 - 距离距离距离距离特点：测量精度高、分辨力强特点：测量精度高、分辨力强0042fccD项目六项目六原理：原理： y = f ( x) x y项目六

11、项目六Keyence 激光测距传感器激光测距传感器激光测距产品项目六项目六特点：特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。测量点小（几十微米）、测量准确度高。精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征。被测物体的表面特征。项目六项目六应用：应用：项目六项目六项目六项目六光栅传感器光源：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

12、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。 项目六项目六光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 项目六项目六光电元件 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

13、的影响。项目六项目六2. 莫尔条纹形成的原理2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 项目六项目六3. 莫尔条纹技术的特点（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 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。（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

14、的刻线精度高的测量精度。 这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 项目六项目六径向光栅进行角度测量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，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。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。 项目六项目六4. 光栅的光路透射光路反射光路 项目六项目六（1）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：特点：结构简单，位置

15、紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。项目六项目六（2）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。项目六项目六5. 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。项目六项目

16、六辨向光路设置在相距的位置上设置两个光电元件在相距的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号 项目六项目六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。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。项目六项目六辨向电路各点波形图辨向电路各点波形图项目六项目六6. 细分技术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

17、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。 项目六项目六（1）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。项目六项目六未细分未细分(a)与细分与细分(b)的波形比较的波形比较项目六项目六（2）电阻电桥细分法（矢量和法）22111212eRRReRRRUsccossin)sin(AUsc用此信号去触发施密特电路 项目六项目六电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分 项目六项目六（c）电阻链细分法（电阻分割法