光栅与光电传感器课件

9光栅测量技术9.1光的干涉与衍射9.2衍射光栅工作原理9.3光栅传感器9.4光栅的使用9.1.1光的干涉—双缝明条纹条件：暗条纹条件：合成振幅：9.1.1光的干涉—多缝

设n个简谐振动的振幅相等，均为a，它们的相位依次相差一个个恒量δ，它们的表达式分别为合矢量A为：合矢量振幅为：当δ=2kπ/n时当δ=2kπ时，A取得极大值9.1.2单缝衍射1光的衍射现象(1)从点光源S发出的光波，在传播过程中遇到遮光屏M时，按照几何光学的观点，光在均匀的介质中沿直线传播，在M之后的屏幕E上将形成清晰的几何影区。(2)然而光在前进中遇到障碍物如圆孔、圆盘、单缝、细丝时，当障碍物的孔尺寸足够小时，在屏幕的几何影中心会出现一个亮点。并几何影区内，并在几何影边缘出现明暗相间的光强分布9.1.2单缝衍射2惠更斯-菲涅尔原理(1)在波传播的任意时刻，波阵面上的每一点，都可以看作为发射球面次级的波源，在随后的某一时刻，这些次波波面的包迹面，就是该时刻的波阵面，波阵面的法线方向出示了波的传播方向。(2)光波在P0点的振幅与面元dS的大小成正比；与面元dS到P0点的距离r成反比，还与倾斜因子K(θ)有关。面元dS的外法线0N与矢径OP0之间的夹角θ值越大，K(θ)值就愈小，当θ＝0时，K(θ)＝l(3)dS在P0点的振动为：9.1.2单缝衍射3夫琅和费单缝衍射光源置于透镜的焦点，光源的像在-∞。衍射光阑(衍射屏)是一个透光的狭缝，入射的平行光经狭缝衍射后，再通过另一个透镜，把+∞的衍射花样成像在焦平面上，观察屏放在此焦平面上观察。前后两个透镜保证了远场衍射条件。P点是倾角为α的射线的投影在远场衍射中为常量9.1单缝衍射-夫琅和费单缝衍射

与各平行光线垂直的AD上各点到P点的光程都相等，设为r0，那么缝上各点到P点的光程便是：9.1单缝衍射-夫琅和费单缝衍射9.2衍射光栅衍射光栅是光谱分析中用得最多的色散器件，它由N个等距的缝构成。每个缝都要产生单缝衍射，平行光入射到光栅上，产生N束单缝衍射光，这N束光的干涉，使入射光中不同的波长成份，形成极细锐的谱线，出现在光栅后面的会聚透镜焦平面上。根据谱线的分布、强弱．我们便知道发光体由什么物质构成、各种元素的含量等等。早期的光栅就是一种多缝装置，入射的平面波透过交替的透明和不透明的线条，在其后产生N束光的干涉。因为透明和不透明的线条是对入射波振幅进行调制，故叫振幅光栅。这种光栅的光能利用大约只有一半，有一半被不透明的部分挡住，现在已很少采用。在实验室里用照像方法在照像干版上很容易得到一系列平直的黑白条纹，经显影定影后就是一个振幅光栅。如把干版放在漂白酒里漂白，在干版表面的乳胶形成浮雕形的凹凸条纹，整个干版是透明的，但干版的光学厚度有周期性的变化．透射光产生周期性的相位调制，这是透射相依光栅．它的光能利用近于100％，这种制备法称光刻法。9.2衍射光栅光强锐细的极大值出现在分母sin(δ/2)＝0处，即：a(sinθi-θm)＝mλm＝0，±1，±2，…上式通常叫光栅公式。m叫光栅光谱的级，即干涉级．其意义为相邻两束光的光程差是波长的多少倍。9.3光栅传感器光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角度的精密测量，也可用来测量能转换成长度或角度的其它物理量。光栅传感器是由主光栅(随同被测物体起动)、指示光栅和光路系统所组成。制造光栅的材料可以是光学玻璃、不锈钢等，其上均匀地刻划有宽度与间距相等的线条。通常将刻线宽度a与刻线间的缝隙宽度b之和w(＝a十b)称为光栅的栅距或光栅常数。一般a＝b。刻线密度一殷为每毫米10、25、50和l00条线，有的可达2400线／mm。主光栅和指示光栅具有相同的刻线密度。9.3光栅传感器—原理

假设两块透射光栅的栅线相互平行，如果使主光栅相对于指示光栅运动，其运动方向垂直于栅线，则当两光栅的栅线互相重合时，光线经两极线间的缝隙透过形成亮带；当两块光珊的栅线错开时，光被挡住，形成暗带。所以每相对移动一个光栅极距，就产生一次亮—暗—亮的变化。如果将两个光栅的栅线相互错开成夹角θ，例如主光栅刻线与水平方向垂直，指示光栅刻线与垂直方向成θ角。这时，指示光栅上的一条透光缝隙就合同时与几条主光栅上的选光缝隙相交，在相交处透光，不相交处则不道光。因此在与主光栅栅线垂直的方向上，形成亮暗交替的条绞，这种亮暗条纹称为莫尔条纹。相邻两莫尔条纹之间的问距B为：当θ角很小时(一般θ角都很小)，有B=W/θ如果指示光栅不动，主光栅左右移动，莫尔条纹就上下移动。主光栅左右移动一个间距W时，，莫尔条纹也正好移动一个条纹间距B。可在一个条纹间距内安放多只固定的光敏元件，使莫尔条纹每移动一个间距，能获得若干个计数脉冲输出，此即为所谓的直接细分或位置细分。9.3光栅传感器—辨向原理用于检测莫尔条纹信号的光敏元件(如光电池)，其输出电压可视为光强变化的函数。当光栅移动时，光敏元件的输出电压波形近似正弦波。在测量电路中，要用隔直电容阻断直流分量U，使有用信号为交流分员u0为了判别主光栅是左移或右移，需要有两个彼此相位相差π/2的莫尔条纹信号。为此，在条纹移动的方向上安放两只光电池。两只光电他的垂直距离等于B／4或[n+1/4]B。这样，两只光电池的输出信号的相位差正好等π/29.3光栅传感器—辨向原理9.3光栅传感器—细分技术(1)直接细分（2）幅值细分（3）鉴相细分（4）锁相细分9.4光栅的使用—接口信号形式电平驱动电流驱动差分驱动矩形波方式正弦波方式9.4光栅的使用—接口信号形式电平驱动电流驱动差分驱动矩形波方式正弦波方式9.4光栅的使用—PCL833最大1.0MH