传感器与检测技术第二章-4光栅ppt课件

1、第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 二、光栅式位移传感器二、光栅式位移传感器光栅式位移传感器有丈量线位移的长光栅和丈量角位移的圆光栅式位移传感器有丈量线位移的长光栅和丈量角位移的圆光栅。光栅。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理什么是光栅？什么是光栅？第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器

2、 1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理32411.标 尺 光 栅 2.指 示 光 栅3.光 电 元 件 4.光 源第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅数字传感器是干什么的？光栅数字传感器是干什么的？1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器

3、 假设光栅栅距为假设光栅栅距为W，两个相，两个相邻邻莫尔条纹的间距为莫尔条纹的间距为BH即即莫尔条纹中两条暗纹或两条莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的间隔那么有亮纹之间的间隔那么有2(sin /2)HWWB莫尔条纹莫尔条纹这里这里是弧度，假设夹角是弧度，假设夹角为为0.100.10，那么，那么=0.1/180=0.1/180* *,那么那么BH=573W,BH=573W,相当于把栅相当于把栅距放大了距放大了573573倍。倍。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对挪动时，莫尔条纹那么沿向作相对挪动时

4、，莫尔条纹那么沿光栅刻线方向挪动两者的运动方光栅刻线方向挪动两者的运动方向相互垂直。光栅运动方向改动，向相互垂直。光栅运动方向改动，莫尔条纹的运动方向也作相应改动。莫尔条纹的运动方向也作相应改动。 因此根据莫尔条纹挪动方向就可以因此根据莫尔条纹挪动方向就可以对光栅对光栅1的运动进展辨向。的运动进展辨向。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 莫尔条纹的位移与光栅的挪动成莫尔条纹的位移与光栅的挪动成比例：光栅每挪动一个栅距比例：光栅每挪动一个栅距W，莫尔条纹挪动一个条纹间距莫尔条纹挪动一个条纹间距BH；莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第二章 位移检测

5、传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 莫尔条纹具有位移放大作用：莫莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角与两光栅条纹夹角之间关系为之间关系为BH= W/,越小，越小， 那么那么BH越大。这相当于把栅距越大。这相当于把栅距 W放放大了大了 1/倍。倍。如对于如对于25线线/mm长光栅而言，长光栅而言，W=0.04mm,假设假设=0.016rad，那，那么么 BH =2.5mm(这样，可把肉眼看不这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为明晰可见的见的光栅位移变成为明晰可见的莫尔条纹挪动，可以用丈量条纹莫尔条纹挪动，可以用丈量条纹的挪动来检测光栅的位移。可以的挪动

6、来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移丈量实现高灵敏的位移丈量)莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 U0UW/2oUm2W3W/2Wx按正弦规律变化。光栅挪动一个栅距W，光强变化一个周期。经过光电元件，可将莫尔条纹挪动光阴强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。WxUUUm2sin0莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点当两个光栅沿刻线垂直方向作相对挪动时，莫尔条纹的光强度随条纹挪动近似当两个光栅沿刻线垂直方向作相对挪动时，莫尔条纹的光强度随条纹挪动近似第

7、二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 u 当两个光栅沿刻线垂直方向作相对挪动时，莫尔条纹当两个光栅沿刻线垂直方向作相对挪动时，莫尔条纹那么沿光栅刻线方向挪动两者的运动方向相互垂直。光那么沿光栅刻线方向挪动两者的运动方向相互垂直。光栅每挪动一个栅距栅每挪动一个栅距W，莫尔条纹挪动一个条纹间距，莫尔条纹挪动一个条纹间距BH，经，经过丈量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。过丈量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。 u 光栅运动方向改动，莫尔条纹的运动方向也作相应改动。光栅运动

8、方向改动，莫尔条纹的运动方向也作相应改动。查看莫尔条纹的上下挪动方向，即可确定主光栅左右挪动方查看莫尔条纹的上下挪动方向，即可确定主光栅左右挪动方向向.u 莫尔条纹的光强度随条纹挪动近似按正弦规律变化。莫尔条纹的光强度随条纹挪动近似按正弦规律变化。光栅挪动一个栅距光栅挪动一个栅距W，光强变化一个周期。，光强变化一个周期。u 因此可根据莫尔条纹挪动的条纹数和方向，测出光栅挪因此可根据莫尔条纹挪动的条纹数和方向，测出光栅挪动的间隔和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位动的间隔和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。移的检测。1.长光栅位移传感器的任务原理长光栅位移传感器的任务原

9、理第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 2. 长光栅位移传感器长光栅位移传感器 根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。 透射光栅的栅线刻制在透明资料上，要求较高时，可以采透射光栅的栅线刻制在透明资料上，要求较高时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。 反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。膜的玻璃上。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 由于采用不同方式的光栅

10、，光学系统也各不一样，常采用由于采用不同方式的光栅，光学系统也各不一样，常采用的光学系统有：的光学系统有： (1)透射式光路透射式光路 (2)反射式光路反射式光路3. 光学系统光学系统第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 1 透射式光路透射式光路 光源光源5发出的光线经发出的光线经准直透镜准直透镜4变成平行变成平行光，入射到指示光栅光，入射到指示光栅3上，经过指示光栅上，经过指示光栅3和标尺光栅和标尺光栅2，再，再透射到光敏元件透射到光敏元件1上。上。普通标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件固定普通标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件固定在被测位移体上，

11、莫尔条纹的挪动信号被光敏元件接纳。每当在被测位移体上，莫尔条纹的挪动信号被光敏元件接纳。每当亮带经过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。亮带经过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 透射式光栅透射式光栅第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 2 反射式光路反射式光路 光源光源1发出的光线经发出的光线经聚光镜聚光镜2及场镜及场镜4后后以平行光束射向指示以平行光束射向指示光栅光栅5上，再经标尺上，再经标尺光栅光栅6反射后构成莫反射后构成莫尔条纹，经过反射镜尔条纹，经过反射镜3和物镜系统和物镜系统7把莫把莫尔条纹的信号

12、送入光尔条纹的信号送入光敏元件敏元件8上上. 当指示光栅与标尺光当指示光栅与标尺光栅有相对位移时，光栅有相对位移时，光敏元件可接纳到挪动敏元件可接纳到挪动的莫尔条纹信号。的莫尔条纹信号。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 反射式光栅反射式光栅第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 长光栅式位移传感器的特点长光栅式位移传感器的特点长光栅位移传感器的测长精度可达长光栅位移传感器的测长精度可达0.53m (3000mm范围内范围内)，分辨力可达，分辨力可达0.1m,可进展无接触丈量可进展无接触丈量第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传

13、感器 用两块刻线数目一样，切线圆半径分别为用两块刻线数目一样，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如下图光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如下图 其条纹间距为其条纹间距为21rrWRHB4. 圆光栅圆光栅第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 环形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击预备演示单击预备演示第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 用两块刻线数目一样的径向圆光栅偏心放置，偏心量为用两块刻线数目一样的径向圆光栅偏心放置，偏心量为e，这时构成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如下图这时构成不同曲

14、率半径的圆弧形莫尔条纹如下图4. 圆光栅圆光栅 其条纹间距为其条纹间距为eWRHB 动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成莫尔条纹信号。经过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转莫尔条纹信号。经过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。测角精度可达换成近似于正弦波形的电信号。测角精度可达0.15，分，分辨力可达辨力可达0.1，甚至更高。，甚至更高。第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 播放中播放中圆弧莫尔条纹圆弧莫尔条纹单击预备演示单击预备演示播放动画播放动画第二章 位移检测传感器第三节第三节

15、大位移传感器大位移传感器 n由前面分析，光栅每挪动一个栅距由前面分析，光栅每挪动一个栅距W W，莫尔条纹挪动，莫尔条纹挪动一个条纹间距一个条纹间距BHBH，光电元件输出就变化一个周期，光电元件输出就变化一个周期22，经信号转换电路输出一个脉冲，假设按此进展计数，经信号转换电路输出一个脉冲，假设按此进展计数，那么它的分辨力只需一个光栅栅距那么它的分辨力只需一个光栅栅距W.W.n为了可以分辨比为了可以分辨比W W更小的位移量，就要提高分辨力，更小的位移量，就要提高分辨力，一种方法是可以采用添加刻划密度的方法来减少栅距，一种方法是可以采用添加刻划密度的方法来减少栅距，但这种方法遭到制造工艺或本钱的限

16、制，如倘假设要但这种方法遭到制造工艺或本钱的限制，如倘假设要读出位移为读出位移为0.10.1m m，势必要求每毫米刻线，势必要求每毫米刻线1 1万条，这万条，这是目前工艺程度无法实现的。是目前工艺程度无法实现的。5. 细分技术细分技术第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 n另一种方法是采用栅距细分技术，在一个栅距即另一种方法是采用栅距细分技术，在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内一个莫尔条纹信号变化周期内, , 发出发出n n脉冲脉冲, , 每个每个脉冲代表原来栅距的脉冲代表原来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频。由于细分后计数脉冲频率提高了率提高了n n倍倍,

17、 , 因此也称之为因此也称之为n n倍频。倍频。n细分后可以在不添加刻线数的情况下较大地提高细分后可以在不添加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨力。光栅的分辨力。n常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等。细分法、计算机细分法等。 5. 细分技术细分技术第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 四倍频细分法：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元四倍频细分法：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右以下图件，如右以下图(a)(a)所示，得到相位分别相差所示，得到相位分别相差/2/2四个正弦四个正弦周期信号。用适

18、当电路处置这些信号，使其合并得到如右以周期信号。用适当电路处置这些信号，使其合并得到如右以下图下图 所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，那么电脉冲的周期反响了点相对应，那么电脉冲的周期反响了1/41/4个莫尔条纹宽度。个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/41/4个莫尔条个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。被称为四倍频细分法。5. 细分技术细分技术第二章 位移检测传感器第三

19、节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅传感器的运用光栅传感器的运用第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅传感器的运用光栅传感器的运用第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅传感器的运用光栅传感器的运用计量和消费控制计量和消费控制第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅传感器的运用光栅传感器的运用位置丈量位置丈量第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 光栅传感器的运用光栅传感器的运用第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 课堂练习课堂练习第二章 位移检测传感器第三节第三节

20、 大位移传感器大位移传感器 1、在下述位移传感器中，适宜于丈量大位移的传感器是A、电阻式传感器B、电感式传感器C、压电式传感器D、光栅式传感器第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 2、假设光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线的夹角为 1.80，那么相邻莫尔条纹的间距为单一 A、0.022mmB、0.07mmC、1.27mmD、3.99mmmmWHB27.1*180/8 .104.0第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 3 3、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4 4个光电元件个光电元件接纳莫尔

21、条纹的挪动信号时，分辨力为接纳莫尔条纹的挪动信号时，分辨力为0.004/mm0.004/mm脉冲，那么脉冲，那么光栅的栅距为光栅的栅距为 用四倍细分，那么分辨力是光栅栅距的1/4，那么光栅栅距为分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm第二章 位移检测传感器第三节第三节 大位移传感器大位移传感器 4 4、四倍细分光栅式位移传感检测系统，假设栅线为、四倍细分光栅式位移传感检测系统，假设栅线为5050线线/mm,/mm,当用当用4 4个光电元件接纳莫尔条纹的挪动信号时个光电元件接纳莫尔条纹的挪动信号时, ,那么分辨率为那么分辨率为 分辨率是一个光栅栅距，即1/50=0.02mm，假设用四个光电元件，即经过