光栅及位移测量

1、光栅及位移测量第1页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一一、 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物理光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移第2页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移 构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )第3页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一(1) 莫尔条纹（Moire） 条纹宽度： W-

2、栅距， a-线宽， b-缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 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条纹移动第4页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一莫尔条纹特性： 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放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度可调性：夹角 条纹间距B 灵活准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动

3、旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光第5页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一(3)圆光栅传感器光栅 - 径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅 切向圆光栅第6页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一第7页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一 径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅 - 栅距角相同/不大偏心量光栅不同区域，栅线交角不同- 圆弧形莫尔条纹 （不同曲率半径）条纹宽度 - 随位置变化偏心垂直位置上- 条纹近似垂直于栅线偏心方向上- 条纹近似平行于栅线

4、- 横向莫尔条纹- 纵向莫尔条纹其他位置 - 斜向莫尔条纹实际应用特例 - 光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）- 透光量（一个周期）莫尔条纹 - 圆弧形、 环形、辐射形第8页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一 切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅 -栅距角相同/切线圆半径不同/同心叠合环形莫尔条纹 - 以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度 - 随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度- 全光栅平均效应优点： 环形光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅（相同）- 栅线相对/不大的偏心量辐射形莫尔条纹 - 条纹近似直线/呈辐射状特点：条纹数目/位置 - 偏心量大小/

5、圆心连线方向光栅旋转 - 条纹数目/位置（不变）偏心量（一个栅距）- 莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动第9页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一第10页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一(4) 光栅传感器特点 精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量 计数 断电数据消失要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂 第11页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一二、激光干涉测量系统单频激光干涉系统

6、第12页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一双频激光干涉系统- 信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）第13页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一双频激光干涉测量系统第14页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一三、激光测距系统3）激光三角法- 大范围远距离测距（几千/几十千米）1）脉冲测距法2）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器 被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离 - 固体/二氧化碳；近距离 - 半导体巨脉冲激光器 - 地球月球距离（分辨力：1m）激光束调制 - 相位差 - 时间 - 距离距离

7、特点：测量精度高、分辨力强第15页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一原理：y = f (x)x y第16页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一Keyence 激光测距传感器激光测距产品第17页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、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被测物体的表面特征第18页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一应用：第19页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一第20页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一厚度测量：(a) 参考表面：两传感器同向 - 减小偏心误差(b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面 - 克服钢板本身上下起伏造成的误差第21页，共22页，2022年，5月20日，17点30分，星期一测量