THQGS-1型_光栅传感器实验指导书(使用说明书).doc

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前言 1
THQGS-1型光栅传感器实验箱实验指导书 2
THQGS-1型光栅传感器实验箱使用说明书 12
前言
光栅应用于技术领域已有一百多年的历史。早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波长的测量,到了20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量,从而出现了光栅传感器。光栅传感器具有许多优点,如测量精度高。在圆分度和角位移测量方面,一般认为光栅传感器是精度最高的一种,可实现大量程测量兼有高分辨率;可实现动态测量,易于实现测量及数据处理的自动化;且具有较强的抗干扰能力等。因此近些年来,光栅传感器在精密测量领域中的应用得到了迅速发展。
THQGS-1型光栅传感器实验箱实验指导书
光栅传感器测量位移实验
一、实验目的
了解光栅传感器测量位移的原理。
学****光栅传感器测量位移的方法。
加深对莫尔条纹形成的光学原理、位移放大作用和误差平均效应的理解。
二、实验设备
THQGS-1型光栅传感器实验箱。
三、实验原理
基本工作原理
在玻璃尺、玻璃盘或金属上类似于刻线标尺或度盘那样,进行长刻线(一盘为10~12mm)的密集刻划,得到如图1(a)或(b)所示的黑白相同、间隔细小的条纹,没有刻划的白处透光,刻划的黑处不透光,这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。光栅上的刻线称为栅线,栅线的宽度为a,缝隙宽度为b,一般都取a=b,而W=a+b,W称为光栅的栅距(也称光栅常数或光栅的节距),它是光栅的重要参数。
(a)
(b)
图1 光栅栅线放大图
光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件构成的,而光栅是光栅传感器的主要部件,如图2所示。光栅传感器的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。取两块光栅栅距相同的光栅,其中光栅3为主光栅、光栅4为指示光栅,指示光栅比主光栅要短,这两者刻面相对,中间留有很小的间隙
d,便组成了光栅副。将其置于由光源1和透镜2形成的平行光束的光路中,若两光栅栅线之间有很小的夹角θ,则在近似垂直于栅线方向上就显现出比栅线W宽得多的明暗相间的条纹6,这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹,其信号光强分布如图2中曲线7所示。中间为亮带,上下为两条暗带。当主光栅沿垂直于栅线的x方向每移动过一个栅距W时,莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件5接收莫尔条纹信号,经电路处理后计数器计数可得主光栅移动的距离。
图2 光栅传感器的构成原理图
对于波长为的光源来说,要求光栅副间的间距d=/;光源一般采用钨丝灯泡;光电接收元件一般采用光电池和光敏三极管。
光栅的种类
光栅的种类很多,若按工作原理分,有物理光栅和计量光栅两种,前者用于光谱仪器,作色散元件,后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。计量光栅的分类如图3所示。
图3 计量光栅的分类
1)长光栅
长光栅主要用于测量长度或直线位移,它的刻线相互平行,条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。根据栅线形式的不同长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅,所以也称幅值光栅或振幅光栅。图4所示的透射光栅就是黑白光栅的一种。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制,也称相位光栅。闪耀光栅的线槽断面分对称型和不对称型两种。
图4 黑白透射长光栅
根据光线的走向,长光栅又分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线刻制在透明的玻璃上,反射光栅的栅线则刻制在具有强反射能力的金属(如不锈钢或玻璃镀金属膜)上。
2)圆光栅
圆光栅是把细条纹刻在玻璃圆盘上,也称光栅盘,主要用透射的,主要用来测量角度或角位移。圆光栅的结构如图5所示。根据刻划的方向,可分为两种,一种是径向光栅,其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心。另一种是切向光栅,其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切,此小圆直径很小,只有零点几到几个毫米,适用于精度要求较高的场合。径向光栅、切向光栅如图6所示。
图5 圆光栅结构图

(a)径向光栅(b)切向光栅
图6 径向光栅、切向光栅
莫尔条纹
长光栅的横向莫尔条纹如图7所示。相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。
长光栅莫尔条纹间距为
(1)
式(1)中,W1为主光栅(也称标尺光栅)1的光栅常数;
W2为指示光栅2的光栅常数;
θ为两光栅栅线的夹角。
当光栅副间的夹角θ很小,且两光栅的栅距相等,都为W时,莫尔条纹间距B为
(2)
图7 长光栅横向莫尔条纹
由于θ值很小,条纹近似与栅线的方向垂直,故称为横向莫尔条纹。当θ=0、B=∞时,莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作用,故将这种条纹称为光闸
莫尔条纹。
横向莫尔条纹具