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1、4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术1传感器与检测技术光栅传感器光栅传感器的结构2传感器与检测技术光栅传感器 数控机床上用计量光栅。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。尺身尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆4.5.1 4.5.1 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类3传感器与检测技术光栅传感器反射式光栅反射式光栅4传感器与检测技术光栅传感器透射式光栅透射式光
2、栅5传感器与检测技术光栅传感器透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定6传感器与检测技术光栅传感器1.结构透明玻璃上刻平行等宽又等间距的条纹a-线宽（透光）， b-缝宽(不透光)W=a+b（栅距） ，a=b=W/2 2.分类物理光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移反射光栅：透射光栅：在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹形成在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成实际应用中，计量光栅又分为：4.5.1 4.5.1 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类7传感器与检测技术光栅传感器透射光栅的结构透射光栅的结构 在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙
3、宽度，则a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常ab，或a:b1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成 主光栅，是测量的基准，另一块光栅为指示光栅，在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。8传感器与检测技术光栅传感器 主光栅和指示光栅之间的距离d可根据光栅的栅距来选择。主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹
4、的明暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光敏晶体管。4.5.1 4.5.1 光栅传感器的结构与分类光栅传感器的结构与分类3.3.光栅传感器的组成光栅传感器的组成9传感器与检测技术光栅传感器光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 a+b=Wa+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 a=b=W/2 10传感器与检测技术光栅传感器4.5.2 4.5.2 莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度BHBH由光栅常数与光栅夹角决定由光栅常数与光栅夹角决定 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示
5、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。当有光照射时，由于挡光效应（50条/mm以下）或光的衍射作用（100/mm以上），在与光栅刻线大致垂直方向上形成明暗相间的条纹。两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 BHW/（为主为主光栅光栅和指示光栅刻线的夹角）和指示光栅刻线的夹角）11传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹的产生均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度： W12传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹演示莫尔条纹演示13传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹莫尔条纹14传感器与检测技术
6、光栅传感器光栅位移W光强度光栅尺的输出信号与测量电路光栅尺的输出信号与测量电路信号转变过程信号转变过程光栅位移输出电压光栅位移放大后的输出电压光栅位移整形后的输出电压光栅位移微分后的输出电压15传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹放大作用举例莫尔条纹放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光，主光栅与指示光栅的夹角栅的夹角 =1.8 ，则：，则：分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m（由于栅（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍： B
7、HW/=0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）=0.02mm/0.0314=0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条莫尔条纹纹光强的变化。光强的变化。16传感器与检测技术光栅传感器莫尔条纹的特性莫尔条纹的特性 放大性：放大性： W=/，夹角很小 W 光学放大 提高灵敏度 莫尔条纹移动与栅距成比例：莫尔条纹移动与栅距成比例： 光栅移动一个栅距 莫尔条纹沿垂直方向移动一个间距W 准确性准确性： 大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 在一个栅距内，光电元件所检测的光强变化为正在一个栅距内，光电元件所检测的光强变化为
8、正弦（或余弦）变化。弦（或余弦）变化。17传感器与检测技术光栅传感器径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量 当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。角度。18传感器与检测技术光栅传感器4.5.4 4.5.4 光栅的光路光栅的光路透射光路反射光路 19传感器与检测技术光栅传感器（1 1）透射式光路）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅
9、。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。20传感器与检测技术光栅传感器（2 2）反射式光路）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。21传感器与检测技术光栅传感器4.5.5 4.5.5 辨向原理辨向原理 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。 例：某例：某1
10、024p/r圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反转圈，反转4圈，若不采取辨向措施，则计数器将错圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。22传感器与检测技术光栅传感器光栅尺的输出信号与测量电路光栅尺的输出信号与测量电路 光栅读数头组成：光源、聚光透镜、指示光栅、光敏元件、信号处理电路（包括放大、整形和鉴向倍频）。 光栅读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。在相距BH/4的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90的正弦信号 23传感器与检测技术光栅传感器辨向电路正向移动时脉冲数
11、累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。24传感器与检测技术光栅传感器4.5.5 辨向原理25传感器与检测技术光栅传感器光栅尺的输出信号与测量电路光栅尺的输出信号与测量电路辨向辨向W26传感器与检测技术光栅传感器4.5.6细分技术细分技术27传感器与检测技术光栅传感器4.5.6细分技术细分技术1.光栅数字传感器的测量分辨率光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。等于一个栅距。2.提高分辨力方法提高分辨力方法：a.增加刻线密度减小栅距。但受增加刻
12、线密度减小栅距。但受刻线工艺的限制。刻线工艺的限制。b.采用细分技术，使光栅每移动采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的一个栅距时输出均匀分布的n个个脉冲，从而得到比栅距更小的脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨率提高到分度值，使分辨率提高到W/n。常用的细分方法有：直接细。常用的细分方法有：直接细分、电桥细分、锁相细分、调分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等。制信号细分、软件细分等。28传感器与检测技术光栅传感器（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。 优点：对
13、莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。29传感器与检测技术光栅传感器未未细细分分(a)与与细细分分(b)的的波波形形比比较较30传感器与检测技术光栅传感器（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用此信号去触发施密特电路 31传感器与检测技术光栅传感器电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分32传感器与检测技术光栅传感器（c）电阻链细分法（电阻分割法）电阻链细分法（电阻分割法）等电阻链细分电路等电阻链细分电路实质：用电阻衰减器来进行细分。实质：用电阻衰减器来进行细分。33传感器与检测技术光栅传感器光栅传感器的应用光栅传感器的应用3
14、4传感器与检测技术光栅传感器扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构35传感器与检测技术光栅传感器光栅应用36传感器与检测技术光栅传感器光栅应用37传感器与检测技术光栅传感器光栅应用38传感器与检测技术光栅传感器光栅应用39传感器与检测技术光栅传感器光栅应用40传感器与检测技术光栅传感器光栅应用41传感器与检测技术光栅传感器光栅应用42传感器与检测技术光栅传感器长度计43传感器与检测技术光栅传感器光栅传感器的应用光栅传感器的应用优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，适合非接触优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，适合非接触动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。缺点：对工作环境要求较高，不能承受大冲击和振动，要求密封，防止缺点：对工作环境要求较高，不能承受大冲击和振动，要求密封，防止尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。44传感器与检测技术光栅传感器数显表数显表光栅传感器的应用光栅传感器的应用45
