chapter6 数字传感器光栅090802

1、Chapter6数字传感器6.2 光栅传感器 Grating Sensor传感器原理及实验16.2 光栅传感器在一百多年前，人们就开始利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光波的波长等方面，本世纪50年代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。 物理光栅： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长。计量光栅： 利用光的莫尔条纹现象测量精密位移。2回顾位移量测量电阻式 电位器 应变式电感式 差动电感式 差动变压器电容式 变极距式 变面积式电涡流式 电涡流测微移 霍尔器件 霍尔位移传感器 量程 几微米 几百毫米精度 0.1% 1.0% ？ 大量程 高精度 模拟

2、式传感器3回顾位移量测量数字式位移传感器编码器光栅？ 大量程 高精度 脉冲数字式传感器46.2 光栅传感器6.2.1 光栅传感器的结构原理6.2.2 莫尔条纹形成的原理及特点6.2.3 光栅的光路6.2.4 辨向原理6.2.5 细分技术6.2.6 应用长度计数控机床桥梁健康检测系统56.2 光栅传感器1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/

3、min，到480m/min。测量长度从1m、3m达到30m和100m。 66.2.1 光栅传感器的结构原理按光栅的形状和用途分为：长光栅线位移 分辨率0.0010.1m；测量范围 米。 圆光栅角位移 角度分辨率0.01 76.2.1 光栅传感器的结构原理光栅副是光栅传感器的主要部分。主光栅(标尺光删)指示光栅标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。光栅由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。图1 光栅传感器构成86.2.1 光栅传感器的结构原理 图2 扫描光栅传感器构成91. 光源钨丝灯泡发光二极管 101. 光源用钨丝灯泡，它有较大的输出功率，较宽的工作范围为一400C130C，

4、但是它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，因此，必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。111. 光源半导体发光器件近年来发展很快，如砷化镓发光二极管可以在-66C 100C的温度下工作，发出的光为近似红外光(9194)，接近硅光敏三极管的敏感波长。虽然砷化镓发光二极管的输出功率比钨丝灯泡低，但是它是与硅光敏三极管相结合，有很高的转换效率，最高可达30左右。此外砷化镓发光二极管的脉冲响应时间约为几十纳秒，与光敏三极管组合可得到的响应速度。这种快速的响应特征，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。122. 光电元件光电池光敏三极管13

5、2. 光电元件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。143. 光栅副光栅副是光栅传感器的核心部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条，如图3所示。 图3 黑白透射光栅示意图 (a)主光栅 (b)指示光栅153. 光栅副a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数)。两光栅之间的缝隙0.02 0.035mm。通常情况，a=b=w/2

6、，也可以做成a:b=1.1:0.9。刻线密度一般为每毫米(10、25、50、1000)线。166.2.2 莫尔条纹形成的原理及特点 莫尔条纹（Moire fringes）1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出莫尔条纹这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙)，并使两者栅线(光栅刻线)之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相间的条纹称

7、为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫尔条纹。171. 莫尔条纹的形成原理图4 莫尔条纹形成原理181. 莫尔条纹的形成原理当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用标尺光栅相对于指示光栅数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。19(1) 长光栅莫尔条纹播放动画20(2) 长光栅光闸莫尔条纹播放动画21播放中(3) 圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画22(4) 光闸莫尔条纹播放动画播放中231. 莫尔条纹的形成原理由图5可见，在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构

8、成的；在d-d线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。241. 莫尔条纹的形成原理图5 莫尔条纹251. 莫尔条纹的形成原理由图可以看出，式中，为亮(暗)带的倾斜角；为两光栅的栅线夹角。 BH为横向莫尔条纹之间的距离；W为光栅常数。262. 莫尔条纹 技术的特点 特性（光栅传感器具有高精度的原因）（1）运动对应关系（2）位移放大作用（3）误差平均作用 272. 莫尔条纹技术的特点 (1) 莫尔条纹运动对应关系 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫

9、尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。282. 莫尔条纹技术的特点 (2) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为：（6 - 1） 292. 莫尔条纹技术的特点 (2) 位移的放大作用越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。302. 莫尔条纹技术的特点 (3) 误

10、差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 316.2.3 光栅的光路 光路的形式图6 垂直透射式光路 图7 反射式光路326.2.3 光栅的光路 1. 透射式光路图8 透射式长光栅 图9 透射式圆光栅336.2.3 光栅的光路1. 透射式光路在透明的玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做透射光栅。透射光栅的主光栅一般用普通工业用白玻璃，而指示光栅最好用光学玻璃。光源1发出的光，经准直透镜2形成平行光束垂直投射到光栅上，由主光栅3和指示光栅斗形成的莫尔条纹光信号由光电元件5接收。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅

11、。光路特点是结构简单，位置紧凑，凋整使用声便，目前应用比较广泛。346.2.3 光栅的光路 2. 反射式光路图10 反射式长光栅 356.2.3 光栅的光路2. 反射式光路在具有强反射能力的基体(不锈钢或玻璃镀金属膜)上，均匀地刻划间距、宽度相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。光源6经聚光镜和场镜3后形成平行光束，以一定角度射向指示光栅2，经反射主光栅1反射后形成莫尔条纹，再经反射镜4和物镜7在光电电池8上成像。该光路适用于黑白反射光栅。366.2.4 辨向原理在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不止是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明

12、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。376.2.4 辨向原理设主光栅随被测零件正向移动10个栅距后，又反向移动1个栅距，也就是相当于正向移动了9个栅距。可是，单个光电元件由于缺乏辨向本领，从正向运动的10个栅距得到了10个条纹信号，从反向运动的1个栅距又得到1个条纹信号，总计得到11个条纹信号。这和正向移动11个栅距得到的条纹信号数相同，因而这种测量结果是不正确的。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。386.2.4 辨向原理完成这种辨向任务的

13、电路就是辨向电路。为了能够辨向，应当在相距的位置上设两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90的正弦信号，如图所示，然后送到辨向电路中处理，如图所示。396.2.4 辨向原理图11 相距1/4BH的两个光电元件406.2.4 辨向原理图12 辩向电路原理416.2.4 辨向原理图13 辩向电路各点波形图426.2.4 辨向原理主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（a）中曲线所示。光电元件1的输出电压波形如曲线所示，显然U1超前U290相角。U1”是U1反相后得到的方波。U1W和U1W”是U1和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。由图(a)可见，对于与门Y1，由

14、于U1W处于高电平时， U2总是处于低电平，因此Y1输出为零；对于与门Y2，U1W”处于高电平， U2处于高电平，因此与门Y2有信号输出。使加减控制触发器置1，可逆计数器做加法计数。436.2.4 辨向原理主光栅反向移动时，莫尔条纹下移动，这时光电元件2的输出电压波形如图（b）中曲线所示。光电元件1的输出电压波形如U1曲线所示，显然U2超前U190相角。与正向移动时情况相反。整形放大后的U2仍超前U1 90。 U1”是U1反相后得到的方波。U1W和U1W”是U1和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。由图(b)可见，对于与门Y1，由于U1W处于高电平时， U2也处高电平，因此Y1有输出；对于与

15、门Y2，U1W”处于高电平，U2处于低电平，因此与门Y2没有信号输出。因此加减控制触发器置0，可逆计数器做减法计数。446.2.4 辨向原理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以辨向，因而可以进行正确的测量。456.2.5 细分技术图14 光栅位移与光强、输出电压的关系466.2.5 细分技术 前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图5看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则

16、将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数(如图14所示)。476.2.5 细分技术如以电压输出，即 uo光电元件输出的电压信号； Uo输出信号中的平均直流分量； Um输出信号中正弦交流分量的幅值。由式可见，输出电压反映了位移量的大小。（6 - 2） 486.2.5 细分技术利用光栅进行测量时，当运动零件移动一个栅距，输出一个周期的交变信号，也即产生一个脉冲间隔。因此，只要记录波形变化周期数或脉冲间隔数n，就可以知道光栅的位移x，即x=nB。每个脉冲间隔代表移过一个栅距，即分辨力(或称脉冲当量)为一个栅距。例如每毫米250条栅线的长光栅，栅距为4m，那么其分辨力(脉冲当量)为4m。496.2.5

17、 细分技术细分技术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。1953年英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。 如栅距为4m的光栅，通过4倍频技术，分辨力可从4m提高到1m。506.2.5 细分技术1. 光学细分2. 电子细分 *3. 微机软件细分511. 光学细分光学细分由于结构复杂、调试困难、成本高等原因，已很少使用。522. 电子细分电子细分的原理是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如果

18、一个周期内发出n个脉冲，就可使分辨率为原来的n倍，所以也称为n倍频。在电子细分中，常采用的是4倍频细分法。电子细分不可能得到很高的细分数，而且细分数是固定的。532. 电子细分四细分方法一用4个依次相距BH/4的光电元件，获得相位差90的4个正弦交流信号。用鉴零器鉴取4个信号的零电平，即在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲。542. 电子细分四细分方法二用相距BH/4位置的两个光电元件，输出相位差90的正弦交流信号U1和U2，通过反相电路，U3U1，U4 =U2，可获得相位差90 的四个正弦交流信号U1、U2、U3和U4。经电路处理可在移动一个栅距的过程中得到4个等间隔的计数脉冲。552

19、. 电子细分图15细分与未细分的波形比较563. 微机软件细分图16 微机软件细分原理框图573. 微机软件细分大多数光栅数显表都采用了微机软件细分法。软件细分法是将两个相差/2的信号通过A/D转换器输入微机，再利用一定的算法计算出莫尔信号的相位，即可推算出此时莫尔条纹内的位置点，得到小于栅距的细分值，此值称为小数。通过辨向电路输出的大数脉冲，脉冲频率对应于莫尔条纹的变化频率，脉冲当量为光栅栅距值。经过大、小数合并处理后，再经过微机进行数值计算和码制转换等处理，即可得到测量值。优点：得到高的细分数，而且可以通过编程改变细分数，结构简单、成本低、可靠性高，非常适用于智能检测与控制系统。586.2

20、.6 光栅传感器的应用精度高测量范围大易于实现自动化和数字化能实现大量程 高精度 596.2.6 光栅传感器的应用应用领域 机床行业 三坐标测量机 精密转台 工厂自动化 电机行业 电子制造设备 印刷行业 造纸行业 水利行业 纺织行业 天文望远镜 航空和航天测量参数长度 角度速度 加速度 振动 表面轮廓606.2.6 光栅传感器的应用1. 长度计2. 数控机床3. 桥梁健康监测系统611. 长度计结构621. 长度计遵循阿贝原则，测量杆和测量基准精确地在一条直线上，所构成的测量环的部件，如测量基准、测量杆、支架和扫描头都按照机械稳定和热稳定性最好的原则设计，以确保长度计尽可能有高的精度。631.

21、 长度计641. 长度计计量和生产控制 651. 长度计量块检定和测量设备的检测661. 长度计多点检测设备671. 长度计位置测量681. 长度计测量范围：0100mm精度： 0.1m/0.05m/0.03mLength Gauges692. 数控机床702. 数控机床测量系统712. 数控机床723. 桥梁健康监测系统金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨径的桥梁的记录。734.3 桥梁健康监测系统南京长江二桥是我国目前跨径最大的斜拉桥，世界第三 。744.3 桥梁健康监测系统75桥梁是公路、铁路运输线路、城市交通网络上的

22、关键设施，是国家的经济命脉。它们在国民经济及社会生活中起着十分重要的作用，如何确保桥梁特别是大型桥梁经常处于健康状态这一问题愈来愈受到桥梁工程界的重视。由于传统的传感技术自身的缺点，已不能满足人们对桥梁可靠、分布式、实时地监测要求，桥梁和传感方面的专家不断寻求更新更先进的技术，光纤光栅传感技术正是在这种背景下在桥梁方面得到了广泛地应用。764.3 桥梁健康监测系统773. 桥梁健康监测系统桥梁变形监测，监测大桥在各种环境下的荷载变化，为桥梁的日常运营管理提供可靠信息；桥梁温度监测，通过对桥梁有代表性的监测点进行温度分布监测，可以验证设计假定或根据实际测量的结果重新计算温度对桥梁内力和变形的影响。以便对桥梁的安全状态做出更加符合实际的评价；桥梁施工过程检测，确保施工质量和安全；桥梁成桥检测及荷载试验的监测，保证桥梁质量。桥梁长期健康监测，桥梁运营现场的环境监测和车辆荷载监测；桥梁主要构件的实际工作状况监测、承载能力及剩余使用寿命评估；为结构维护提供依据，为结构损伤提供预警；旧桥改造加固、