传感器与自动检测技术 第2版 课件 8 光栅传感器

8.光栅传感器

8.光栅传感器

光栅传感器根据莫尔条纹原理制成的脉冲输出数字式传感器。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。8.1光栅

8.1.1光栅的结构

1.光栅的分类光栅按其原理和用途可以分为物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线细密，利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和波长等的测量。计量光栅主要是利用莫尔现象，用于长度、角度、速度、振动等几何量的测量。计量光栅按用途可以分为长光栅和圆光栅。长光栅又称为光栅尺，用于测量长度或线位移。圆光栅又称为盘栅，用于测量角度或角位移。2.光栅的结构

（1）长光栅光栅是在刻线基面上等距离（或不等间距）地密集刻划，使刻划处不透光，未刻线处透光，形成透光与不透光相间排列构成的光电器件。长光栅结构如图所示。光栅上的刻线称为栅线。栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，而w=a+b称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距），是光栅的重要参数，栅线密度用每毫米长度内的栅线数表示，如100线/mm、250线/mm等。（2）圆光栅圆光栅的结构如图所示。栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，而w=a+b称为栅距，还有一个参数是栅距角γ或节距角，它是指圆光栅上相邻两条栅线的夹角。圆光栅有三种形式，一种是径向光栅，其栅线的延长线通过圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线与光栅盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅线为一簇等间距同心圆组成的环形光栅。圆光栅通常在圆盘上刻有1080-64800条线。圆光栅机线如图所示。a)径向光栅b)切向光栅c)环形光栅8.1.2莫尔条纹

1.莫尔条纹的形成光栅常数相同的两块光栅（分别是主光栅和指示光栅）相互叠合在一起时，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图所示。这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。1.莫尔条纹的形成横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距

莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定。（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BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为

θ越小，BH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BH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。2.莫尔条纹的基本特性

条纹间距与栅距的关系为：

当θ角较小时，例如θ=30′，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。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。

当两个等距光栅的栅间夹角θ较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：7.2.1莫尔条纹（2）莫尔条纹移动方向

如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对主光栅的运动进行辨向。（3）误差的平均效应

莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。

如图所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。8.2光栅传感器的工作原理

8.2.1光电转换原理

光栅传感器的光电转换系统由光源1、聚光镜2、光栅主尺3、指示光栅4和光电元件5组成，如图a所示。当两块光栅作相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变化，如图b所示。在a处，两光栅刻线不重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；在c处，光被遮去一半，光强减小；在b处，光全被遮去而成全黑，光强为零。若光栅继续移动，则透射到光电元件上的光强又逐渐增大，因而形成图8c所示的输出波形。

a)组成b)莫尔条纹c)光强分布8.2.1光电转换原理

8.2.2莫尔条纹测量位移的原理当光元件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，电信号变化一个周期。这样，光信号的输出电压U可以用光栅位移x的正弦函数来表示，光电元件输出的波形为

由上式可知，利用光栅可以测量位移量x的值。输出信号灵敏度：输出电压信号的斜率为

由上式可见，当2

x/w=(2n

1)

/2，即x=w/4，3w/4，5w/4，…时，斜率最大，灵敏度最高，故其输出信号灵敏度Ku为8.2.3辨向原理位移测量传感器如果不能辨向，则只能作为增量式传感器使用。辨向原理如图所示。为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别方向，且这两个莫尔条纹信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B/4条纹间隔的位置上安装两个光电元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样，相位相差90°，滞后还是超前完全取决于光栅运动的方向。这种区别运动方向称为位置细分辨向原理。8.2.3辨向原理如图所示为辨向原理电路框图。AB与CD两个狭缝在结构上相差90°，所以它们在光电元件上取得的信号必然相差90°。AB为主信号，CD为门控信号。当主光栅作正向运动时，CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过，门电路在可逆计数器中作加法运算；当主光栅作反方向移动时，CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。8.4常用光学系统

8.4.1透射直读式光中将图中光电元件5采用四极硅光电池作为转换元件，就构成四细分直读式分光系统。把形成的横向莫尔条纹宽度B调整到等于四极硅光电池的宽度S如图c，这样莫尔条纹变化一个条纹宽度B，四级硅光电池依次输出四路相位相差90°的电信号，如图8-11所示波形，四路电信号相当于对莫尔条纹进行四细分。这种光路的结构简单，位置紧凑，调整使用方便，目前广泛应用于粗栅距的黑白透射光栅传感器中。8.4.2反射直读式光路反射直读式光路如图所示。光源1经聚光镜2成平行光束，并以一定角度通过场镜3射向指示光栅4，莫尔条纹是金属制成的标尺光栅5反射回来的光线与指示光栅4相互作用形成的，由光电元件6接收莫尔条纹并将其转换成电信号。这种光路常用于黑白反射光栅传感器中。

8.4.3反射积分式光路

反射积分式光路如图所示。图中，只用一只闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅。光源1发出的光经准直透镜2变成平等光束垂直入射到具有等腰三角形栅线的闪耀光栅4上A、B两点的线槽面。此时最大强度的衍射光将沿原路反射回分光镜3。在分光面处相遇产生干涉现象，其干涉条纹经透镜5由光电元件6接收并转换成电信号。这种光学系统具有光学四细分的作用，分辨力较高。例如，栅线密度为600线/mm时，干涉条纹变化一个周期就相当于光栅移动量为△w=1/4×1/600=0.42μm。这种光路只用于光栅移动的反射式闪耀光栅传感器。测量精度高（分辨率为0.1μm），动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。在机械工业中得到了广泛的应用，特别