第章位移检测传感器之光栅传感器

第三节大位移检测传感器二、光栅位移传感器1二、光栅式位移传感器光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。2光栅式位移传感器的分类1测量线位移的长光栅2测量角位移的圆光栅3

长光栅圆光栅4由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。莫尔条纹5光栅结构放大图6长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图a-a线），而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带（b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹。条纹方向与刻线方向近似垂直。莫尔条纹7根据莫尔条纹效应设计光栅传感器。莫尔条纹8若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有莫尔条纹这里θ是弧度，如果夹角为0.10，则θ=0.1/180*π,则BH=573W,相当于把栅距放大了573倍。9——运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。——莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；——莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为BH=W/θ,θ越小，则BH越大。这相当于把栅距

W放大了1/θ倍。如对于25线/mm长光栅而言，W=0.04mm,若θ=0.016rad，则BH=2.5mm(这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量)莫尔条纹有如下特点10——当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。其电压为：莫尔条纹有如下特点11——莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。莫尔条纹有如下特点——莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即移过100x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过的莫尔条纹也是100x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。12当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向.莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。1.长光栅位移传感器的工作原理13在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条/mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。2.长光栅位移传感器14光栅的构造：152.长光包栅位猴移传不感器根据顾不同漆的设愁计要汽求，乓光栅宪可以纱制成扮透射诞光栅贷和反出射光蜡栅。透射庙光栅爆的栅肉线刻准制在型透明艳材料刮上，暂要求氧较高钻时，访可以固采用踢光学涛玻璃保；而懒指示谣光栅庸最好稼采用专光学慌玻璃政。反射撇光栅梢的栅霉线刻梅制在奥具有则反射赖率很压高的挽金属飞或镀傍以金菊属膜府的玻问璃上盏。16由于军采用序不同贤形式滔的光叉栅，拦光学婚系统营也各宿不相谁同，田常采慎用的晚光学凤系统博有：(1御)透射孟式光佩路(2哥)反射山式光扩路3.光学唐系统17（1）透射街式光技路光源5发出厉的光樱线经恢准直车透镜4变成君平行愚光，毅入射缩慧到指耐示光枕栅3上，鼠经过雹指示利光栅3和标钩尺光好栅2，再艳透射侵到光秧敏元旨件1上。一般境标尺则光栅础固定续不动裂，而驳光源矿、指益示光富栅和继光敏塘元件价固定惠在被珍测位劣移体垦上，垄莫尔卧条纹疼的移碎动信脆号被留光敏塑元件染接收匹。每难当亮链带通冠过光倦敏元禁件时包，有航一个虾相应隙的电联信号异输出允。18透射般式光糟栅19（2）反射呼式光脖路光源1发出长的光蔽线经播聚光居镜2及场袜镜4后以闸平行恒光束郑射向绿指示她光栅5上，爪再经直标尺适光栅6反射残后形匙成莫培尔条贩纹，偷通过恭反射就镜3和物矿镜系唤统7把莫日尔条耍纹的待信号扫送入的光敏述元件8上.当指艳示光颗栅与蛋标尺定光栅巧有相拴对位朴移时作，光低敏元禾件可另接收拿到移仓动的演莫尔行条纹母信号纯。20反射闯式光泪栅21长光管栅式馒位移笛传感药器的浆特点长光栅位燥移传格感器竖的测芳长精巷度可呀达0.罩5～3m林(3扇00尿0m娱m范围观内)，分榴辨力搞可达0.揭1m,可进公行无租接触搂测量22用两糊块刻金线数绵目相撞同，宾切线刮圆半型径分头别为r1、r2的切钞向圆竭光栅唤同心咽放置阅，所困产生报的环凉形莫挡尔条灰纹如市图所非示4.圆光纪栅其条委纹间链距为23用两埋块刻嘉线数肃目相叉同的原径向厘圆光易栅偏指心放味置，孔偏心猾量为e，这劲时形交成不更同曲柳率半放径的评圆弧桂形莫痕尔条描纹如梁图所蚁示4.圆光猛栅其条维纹间球距为24动光栅诵固定宰在转牙轴上败，因股此，指可将艰轴旋水转的妈角度羞量变蚕换成滴莫尔理条纹么信号他。通柴过光抵电转归换元甘件，迹将莫肢尔条娱纹的困变化她转换杀成近朵似于纠正弦商波形穿的电揉信号策。测输角精龄度可译达0.辈15锤”，分径辨力榨可达0.纪1”，甚劝至更窜高。4.圆光露栅25二、性光栅纽奉式位歉移传警感器4.圆光恨栅(1追)切向抽圆光肢栅(2岁)径向讨圆光菜栅径向想圆光朋栅懂切桃向圆鞭光栅4.圆光披栅26由前娇面分民析，废光栅盯每移桌动一巾个栅猜距W，莫存尔条围纹移蜂动一肝个条疾纹间局距BH，光也电元腾件输擦出就蔽变化棵一个起周期2π，经应信号片转换肃电路铸输出世一个扬脉冲集，若芳按此瞧进行弟计数衔，则哀它的煎分辨蔽力只跃有一敏个光葛栅栅痛距W.为了迎能够尚分辨次比W更小著的位歇移量算，就舞要提再高分游辨力狭，一逢种方忙法是休可以常采用重增加凡刻划鸭密度繁的方屈法来则减少旧栅距蚕，但草这种探方法垄受到祸制造娃工艺泽或成谣本的球限制息，如倘签若要纵读出枕位移捎为0.钻1m，势骨必要惠求每阶毫米冷刻线1万条尤，这良是目显前工眉艺水凝平无危法实贞现的额。5.细分寺技术27——常用地的细防分方购法有惕四倍亲频细套分法垮、十闲六倍热频细悦分法寻、计直算机煌细分翠法等奥。5.细分粮技术另一篮种方辛法是妻采用绢栅距亏细分辫技术债，由痕于细姜分后榜计数油脉冲懂提高经了n倍，形所以剑细分汽又称指倍频只，细慰分后浪可以鸭在不看增加降刻线钱数的挨情况涌下较些大地液提高伟光栅伍的分遣辨力岂。28四倍逃频细绿分法在一穷个莫冒尔条窄纹宽蕉度上份并列雪放置田四个夏光电液元件烦，如屈右下淡图(a拦)所示零，得旁到相父位分遗别相冲差π/2四个株正弦够周期届信号妖。用打适当水电路唐处理系这些谢信号拢，使伶其合馋并得疲到如羡右下内图安所示喝的脉槐冲信攻号。沉每个漆脉冲比分别言和四尾个周接期信仰号的拘零点斯相对箭应，贯则电通脉冲忽的周丑期反敲应了1/趋4个莫圆尔条绿纹宽层度。锋用计球数器垄对这具一列鸣脉冲下信号长计数坛，就贡可以讽读到1/按4个莫猛尔条识纹宽将度的泳位移常量，好这将仰是光症栅固践有分据辨率冈的四宰倍。广此种防方法彼被称效为四量倍频祸细分垫法。29课堂题练习304、在鞋下述梢位移堵传感牵器中喊，适弃宜于挡测量销大位读移的质传感鞋器是撕（单湾一）A、电油阻式炕传感方器B、电半感式拖传感流器C、压优电式冤传感定器D、光吨栅式荒传感月器314、在烦下述否位移蜡传感芝器中垮，适迫宜于啦测量倦大位费移的令传感谦器是旷（单榆一）D、光士栅式稍传感果器321、若侮光栅要式位怨移传袄感器础的光蹄栅栅倦距为0.糕04做mm亏,栅线粪的夹镜角为1.椒80，则校相邻买莫尔州条纹职的间保距为喝（单森一）A、0.辜02足2m搁mB、0.铁07苏mmC、1.弦27愧mmD、3.舍99还mm3311、若膊光栅肾式位蒜移传泻感器抗的光且栅栅袍距为0.沙04炕mm茶,栅线扩的夹束角为1.鸟80，则迁相邻训莫尔症条纹佛的间虽距为菌（脚单一赛）C、1.朴27归mm3423、四烂倍细东分式旦光栅坛式位泪移传纤感检途测系青统，黄当用4个光胸电元丹件接葵收莫虹尔条临纹的敬移动环信号系时，滴分辨纲力为0.恋00日4/炉mm脉冲锄，则添光栅购的栅墙距为兰（旅）浙（模葵拟一紧）3523、四迁倍细尘分式肺光栅弓式位犁移传愚感检巾测系麦统，拔当用4个光渴电元曲件接蒜收莫辛尔条最纹的轻移动墨信号滤时，违分辨奥力为0.制00也4/哑mm脉冲脆，则技光栅胳的栅段距为盏（楼）赛（模累拟一页）用四磨倍细滨分，率则分庸辨力传是光渣栅栅秤距的1/热4，则龄光栅呆栅距见为分禾辨力她的4倍。4*丧0.轻00缠4=记0.方01繁6m端m369、四柴倍细静分光堡栅式柱位移慨传感卖检测励系统模，如骆果栅训线为50线/m帝m,当用4个光复电元数件接院收莫膊尔条老纹的戒移动冻信号厌时,则分律辨率叫为（或）（究模拟汉一）379、四矩倍细常分光农栅式悲位移融传感精检测蜡系统哄，如旺果栅嘱线为50线/m薯m,当用4个光压电元古件接网收莫修尔条封纹的岩移动鲜信号停时,则分追辨率孝为（偷）（雕模拟叹一）分辨贵率是眨一个盈光栅勇栅距发，即1/鹊50铲=0亏.0敞2m海m，若忍用四近个光集电元臭件，材即经饺过四撕倍细宵分后贿，则高光栅决栅距煤为分布辨力典的4倍。垒分辨歉力为0.推02辈/4高=0广.0锈05壶mm3823、为飞了提弯高检徒测系头统的谅分辨恐率，苏需要殃对磁扁栅、嘱容栅低等大孕位移搏测量联传感宫器的陕输出贯信号觉进行鱼（句）姓（模部拟四题）3923、为袄了提叶高检筐测系冻统的村分辨赔率，脊需要升对磁更栅、月容栅辉等大光位移山测量般传感勉器的大输出旷信号众进行阵（也细分淋）毒（模执拟四佣）4031、已粥知光锯栅式赚位移杯传感泡器的辽栅线缩慧为50线/m船m，主售光栅全和指食示光嚼栅的广栅线鹊的夹现角为0.副2º。(模拟拿四）（1）求藏光栅倘莫尔唐条纹桂的间盗距，心及莫咱尔条蹦纹的透放大断