数字式传感器及应用-光栅传感器（传感技术课件）

任务7.1角度编码器任务7.2光栅传感器项目7数字式传感器及应用任务7.3感应同步器7.2光栅传感器光栅传感器是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移，它把光栅作为测量长度的计量元件，也称为计量光栅。光栅的分类（1）长光栅和圆光栅（按用途分）

圆光栅用于角位移的测量，长光栅用于直线位移的测量。（2）透射光栅和反射光栅（按光线的走向分）透射光栅是将栅线刻在透明材料上，常用光学玻璃和制版玻璃。反射光栅的栅条刻制在具有强反射能力的金属板上，一般用不锈钢。（3）黑白光栅和相位光栅（按栅线形式分）黑白光栅只对入射光波的振幅或光强进行调制，相位光栅对入射光波的相位进行调制。主要讨论用于长度测量的黑白透射光栅。光栅传感器的结构图1－LED光源2－聚光透镜3－扫描光栅（指示光栅）4－主光栅（标尺光栅）5－栅状光电接收元件透射式直线光栅结构及组成直线透射式长光栅测量原理图1－光源2－透镜3－指示光栅4－主光栅（标尺光栅）5－零位光栅6－细分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件（放大图见后页）光源、透镜、指示光栅及光敏元件均固定在扫描头内，随扫描头一起联动。1－光源2－透镜3－指示光栅4－主光栅(标尺光栅)5－零位光栅6－细分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件放大图透射式光栅光栅传感器光栅数字传感器光栅数字传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。光栅数字传感器是干什么的？主要用于线位移和角位移的测量。还可以扩展到速度、加速度、振动、质量和表面轮廓等方面。什么是光栅？在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。透射光栅示意图

abWa为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。光栅数字传感器的原理：莫尔条纹标尺光栅指示光栅莫尔条纹形成在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两条光栅的透光线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作用而形成暗带。

莫尔条纹的光学放大作用

（暗线到暗线的间距大于刻线的间距）

暗线到暗线的间距栅距透射光线莫尔条纹演示B莫尔条纹莫尔条纹B莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角θ(弧度)之间的关系为：莫尔条纹莫尔条纹特点：(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度B，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。θ越小，B越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。

莫尔条纹光学放大作用的计算

例:有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角

=1.8=1.8

×3.14/180

弧度，求：分辨力和莫尔条纹的宽度。解：分辨力

=栅距W=1mm÷50=0.02mm=20

m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）由以下计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：

B≈W/θ=0.02mm/(1.8

×3.14/180

)=0.02mm÷0.0314=0.02mm×32=0.64mm

由于莫尔条纹间距有0.64mm，因此可以用小面积的光电池，通过“狭缝”来“观察”莫尔条纹光强的变化。莫尔条纹特点：(2)位移的移动方向如光栅1（指示光栅）沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2（标尺光栅）的栅线向下移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向上移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。光栅1光栅2莫尔条纹莫尔条纹位移测量原理若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。莫尔条纹位移测量原理莫尔条纹位移测量原理光栅输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即：U0—输出信号中的直流分量；Um—输出交流信号的幅值；x—两光栅间的相对位移.

莫尔条纹位移测量原理将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积：莫尔条纹位移测量原理辨向原理1）为什么要辨向？如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。因而必须在测量电路中加入辨向电路。例：某1024p/r圆光栅，正转10圈，反转4圈，求：采用辨向电路后的计数值（脉冲数）。（若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲）解：辨向后的计数值为

N=10×1024-4×1024＝6144个脉冲。辨向原理在相隔B/4的莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号。通过判断两路信号的相位差即可判断出指示光栅的移动方向。当指示光栅向右移动时，uos滞后于uoc；当指示光栅向左移动时，uos超前于uoc

。辨向原理细分技术若以移动过的莫尔条纹的数目来确定位移量，其分辨力为光栅栅距W。为了提高分辨力和测得比栅距W更小的位移量，可采用细分技术。细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n个计数脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频。脉冲细分细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，较大地提高了测量准确度。细分前细分后光栅细分举例

例：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采用4细分技术，求：细分前、后的分辨力