《传感技术与应用》（第二版） 第第10章章 光栅传感器光栅传感器光栅传感器光栅传感器——利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置光栅传感器的优点光栅传感器的优点 高精度、高分辨率和大动态范围，因而 广泛应用于静态测量、动态测量和自动 化等领域一、光栅基础知识一、光栅基础知识 （一）、光栅分类及结构光栅分类及结构1、光栅分类、光栅分类 按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅 按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅 按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅和相位光栅按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅 2、光栅的结构、光栅的结构•光栅光栅——由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件 （二）莫尔条纹原理与特点（二）莫尔条纹原理与特点 •莫尔条纹具有三个特点：•1、莫尔条纹具有位移放、莫尔条纹具有位移放 大作用大作用•2、莫尔条纹移动与光栅、莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系移动的对应关系•3、误差减小作用、误差减小作用l l莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹————亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。
亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹l l莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的 莫尔条纹莫尔条纹演示演示 二、光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理•（一）光电转换原理（一）光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构：光栅传感器的光电转换系统结构：1、光源，、光源，2、聚光镜，、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅）、主光栅（又称标尺光栅），，4、指示光栅，、指示光栅，5光敏元件光敏元件（二）（二） 莫尔条纹测量位移原理莫尔条纹测量位移原理 当光电元件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，电信号则变化一个周期 当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW （三）（三） 辨向原理辨向原理•当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差π/2滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理 三、莫尔条纹细分技术三、莫尔条纹细分技术 •（一）细分方法：（一）细分方法：•1、增加光栅刻度密度。
增加光栅刻度密度•2、对电信号进行电子细分把一个周期变、对电信号进行电子细分把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法在电子细分中又的脉冲数，称为倍频法在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等和锁相细分等 •3、机械和光学细分机械和光学细分 （二）直接细分（二）直接细分 •直接细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统缺点是光电元件安放困难，因而细分不能过高 四、四、 光栅传感器的误差光栅传感器的误差 •单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的计量光栅大多数是在构成莫尔要纹的情况下使用由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小•长光栅栅距误差一般为微米（μm）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级 五、常用光学系统五、常用光学系统（一）直接接收式光学系统（一）直接接收式光学系统• 1、透射直读式光路、透射直读式光路 光源1发射的光经准直透镜2变成平行光束，垂直投射到主光栅3上，它和指示光栅4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5接收。
图示为数控机床中的小型光栅式传感器 2、反射直读式光路、反射直读式光路•光源6经聚光镜5成平行光束以一定的角度通过场镜3射向指示光栅2，莫尔条纹是由主光栅1反射回来的光线与指示光栅2作用形成的，经反射镜4反射后由物镜7成象被硅光电池8接收 （二）（二） 分光式光学系统分光式光学系统•光源1发出的光经聚光镜2变成平行光投射到光栅副3、4上，经衍射后在无限远处形成莫尔条纹用聚光镜6将与光轴平行的某r级组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件8上，用光阑7挡住会聚于光轴两侧的其它级组的衍射光光阑7有一条窄缝，其方向平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，会聚于光电元件8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔条纹信号实现测量1 1、透射分、透射分、透射分、透射分光式光学光式光学光式光学光式光学系统系统系统系统 2、、反射分光式反射分光式光学系统光学系统•光源1发出的光经准直透镜2变成平行光束垂直入射到分光棱镜3，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光线射到闪耀光栅4的A、B两点闪耀光栅具有等腰三角形线槽使光栅在自准状态下工作，即光束垂直投射到线槽面时，由物理光学可知，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光棱镜3。
这样，由A、B两处返回的两路衍射光经分光棱镜3都投射到透镜5这两路衍射光是相干的，相遇后发生干涉，产生的条纹图象经透镜5由光电元件6接收 六、光栅传感器设计要点六、光栅传感器设计要点•设计光栅传感器的要求：①能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的干扰不敏感；②能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号；③工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易；④在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易⑤若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简化电路•光栅传感器组成： 照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件 （一）（一） 照明系统照明系统•照明系统主要由光源和透镜组成，有时需要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照明光束1、光源的选择、光源的选择光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种单色光源有激光、汞灯等， 普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡， 2、准直透镜参数的确定、准直透镜参数的确定•①①透镜的通光口径透镜的通光口径 •②②透镜的型式和焦距透镜的型式和焦距 栅距较大，而光栅间间隙较小时，常采用单片平凸透镜，并使平面朝向灯丝以减小象差。
在大间隙时，为减小象差，特别是色差，应采用双片平凸透镜，并使两者的平面都朝向灯丝，或者用消象差的双胶合透镜 （二）（二） 光栅副光栅副•1、主光栅、主光栅•①①材料的选择材料的选择 制作光栅的材料有玻璃和金属两类 •②②栅距的选择栅距的选择 •③③栅线线宽和长度的选择栅线线宽和长度的选择 •2、指示光栅、指示光栅•指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况外，都和主光栅的栅距相等指示光栅的直径同准直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元件的尺寸确定 （三）（三） 光电接收元件光电接收元件 •1、硅光电池、硅光电池 硅光电池工作面积大，不需外加电源受光照面为正极，背面为负极，结构为一薄片，体积不大，外形有方形和圆形两种 •2、光电二极管、光电二极管 光电二极管在电路中反向工作光电二极管有方形的，圆形的，也有光电二极管组合件，它是将十几个管子做成一体•3、光电三极管、光电三极管 光电三极管的电流灵敏度高，其稳定性也不如光电二极管光电三极管也有组合件。