光栅和激光位移测量

关于光栅和激光位移测量第一页，共二十三页，2022年，8月28日一、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二页，共二十三页，2022年，8月28日长光栅---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)第三页，共二十三页，2022年，8月28日(1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：

W-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,w1≠w2

→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四页，共二十三页，2022年，8月28日莫尔条纹特性：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θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→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→反射光第五页，共二十三页，2022年，8月28日(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六页，共二十三页，2022年，8月28日第七页，共二十三页，2022年，8月28日①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---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、辐射形第八页，共二十三页，2022年，8月28日②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：③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/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、晃动第九页，共二十三页，2022年，8月28日第十页，共二十三页，2022年，8月28日(4)光栅传感器特点①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂第十一页，共二十三页，2022年，8月28日二、激光干涉测量系统单频激光干涉系统第十二页，共二十三页，2022年，8月28日双频激光干涉系统---信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）第十三页，共二十三页，2022年，8月28日双频激光干涉测量系统第十四页，共二十三页，2022年，8月28日三、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---距离距离特点：测量精度高、分辨力强第十五页，共二十三页，2022年，8月28日原理：y=f(x)xy第十六页，共二十三页，2022年，8月28日Keyence激光测距传感器激光测距产品第十七页，共二十三页，2022年，8月28日特点：

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十八页，共二十三页，2022年，8月28日应用：第十九页，共二十三页，2022年，8月28日第二十页，共二十三页，2022年，8月28日厚度测量：(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二十一页，共二十三页，2022年，8月28日测量范围：16mm左右；相对测量精度：0.1%~0.2