光栅传感器课件

第10章：光栅传感器光栅传感器——利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量测量的装置称为光栅传感器。光栅传感器的优点：高精度、高分辨率和大动态范围，因而广泛应用于静态测量、动态测量和自动化等领域。

一、光栅基础知识

（一）、光栅分类及结构1、光栅分类

按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅2、光栅的结构所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。圆光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长线通过圆心；第二种是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。二、光栅传感器的工作原理（一）光电转换原理光栅传感器的光电转换系统结构：1、光源，2、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅），4、指示光栅，5光敏元件，如图10—4（a）所示。

（二）莫尔条纹测量位移原理当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时，电信号则变化一个周期。当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW。（三）辨向原理如图10—5所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差π/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。（二）直接细分

直接细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。缺点是光电元件安放困难，因而细分不能过高。（三）电位器桥细分

为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为π/2的正弦交流信号UmSinφ、UmCosφ、-UmSinφ、-UmCosφ（φ=2πX/ω）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行12～60（为4的整倍数）细分，如图10—7所示。

一种用于48细分的电位器电桥细分电路如图10—8所示。

四、光栅传感器的误差

单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔要纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。长光栅栅距误差一般为微米（μm）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。2、反射直读式光路如图10—11所示。光源6经聚光镜5成平行光束以一定的角度通过场镜3射向指示光栅2，莫尔条纹是由主光栅1反射回来的光线与指示光栅2作用形成的，经反射镜4反射后由物镜7成象被硅光电池8接收。

（二）分光式光学系统光源1发出的光经聚光镜2变成平行光投射到光栅副3、4上，经衍射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜6将与光轴平行的某r级组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件8上，用光阑7挡住会聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑7有一条窄缝，其方向平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，会聚于光电元件8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔条纹信号实现测量。图10—13为四分透镜分光式电路。1、透射分光式光学系统图10—12所示：2、反射分光式光学系统图10—14所示：光源1发出的光经准直透镜2变成平行光束垂直入射到分光棱镜3，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光线射到闪耀光栅4的A、B两点。闪耀光栅具有等腰三角形线槽。使光栅在自准状态下工作，即光束垂直投射到线槽面时，由物理光学可知，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光棱镜3。这样，由A、B两处返回的两路衍射光经分光棱镜3都投射到透镜5。这两路衍射光是相干的，相遇后发生干涉，产生的条纹图象经透镜5由光电元件6接收。（一）照明系统照明系统主要由光源和透镜组成，有时需要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照明光束。1、光源的选择光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种单色光源有激光、汞灯等，普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡，2、准直透镜参数的确定①透镜的通光口径

②透镜的型式和焦距

栅距较大，而光栅间间隙较小时，常采用单片平凸透镜，并使平面朝向灯丝以减小象差。在大间隙时，为减小象差，特别是色差，应采用双片平凸透镜，并使两者的平面都朝向灯丝，或者用消象差的双胶合透镜。（二）光栅副1、主光栅①材料的选择制作光栅的材料有玻璃和金属两类