传感器技术基础4.5光栅

1、传感器技术基础 梁 福 平1第4章 光电式传感器原理与应用4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术24.5.1 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。 3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

2、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。4光栅副：指示光栅主光栅 5什么是光栅在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。a 栅线的宽度 b 缝隙的宽度 W 光栅的栅距 6通常， 一般刻线密度为每毫米10,50,100线光电接收元件 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。74

3、.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术89把两块栅距相等的光栅(光栅1、光栅2)面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙,并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，如左图所示，就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。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成的；在b - b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

4、成的。当夹角减小时，条纹间距BH增大，反之条纹间距BH减小。4.5.2 莫尔条纹形成原理4.5.2 莫尔条纹形成原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数W与光栅夹角决定 104.5.3 莫尔条纹技术的特点 p129位移的放大作用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。例：当11若=0.1=0.00174532rad时，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的572.92倍。或 由 1/573可得， 这相当于把栅距放大了573倍。对应关系莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。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

5、差和周期误差对于精度没有直接的影响。例如：设 ，接收元件为10 x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。莫尔条纹技术的特点 p12912 因此根据莫尔条纹移动就可以对光栅的运动进行辨别。 莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成，光栅的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线综合的结果，因此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。4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路

6、4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术134.5.4 光栅的光路透射光路反射光路 14（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。15（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。164.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术17辨向原理单个光电元件可接收一固定点的莫尔条纹信号，

7、但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。18辨向光路设置在相距1/4的BH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 19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。20辨向电路各点波形图21u1超前u24.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.

8、5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术22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。 23（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1/4的BH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。24未细分(a)与细分(b)的波形比较25（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用此信号去触发施密特电路 26电阻电桥细分法用于10细分 27（c）电阻链细分法（电阻