检测技术及应用课件天津理工4.5光栅传感器

1、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 细分技术上一页下一页返 回4.5.1 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。 上一页下一页返 回光栅传感器光源：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。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为

2、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。 上一页下一页返 回光栅副：指示光栅主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2 上一页下一页返 回光电元件 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。上一页下一页返 回4.5.2 莫尔条纹形成的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由光栅常数与光栅夹角决定 上一页下一页返 回4.5.3 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

3、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。 上一页下一页返 回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，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。 上一页下一页返 回4.5.4 光栅的光路透射光路反射光路 上一页下一页返 回（1）透射式光路1-光

4、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。上一页下一页返 回（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。上一页下一页返 回4.5.5 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。上一页下

5、一页返 回辨向光路设置在相距的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 上一页下一页返 回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。上一页下一页返 回上一页下一页返 回辨向电路各点波形图4.5.6 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。 上一页下一页返 回（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。上一页下一页返 回上一页下一页返 回未细分(a)与细分(b)的波形比较（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用此信号去