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《传感技术与应用》第二版第10章光栅传感器讲义教材.ppt


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《传感技术与应用》(第二版)
第10章 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
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
《传感技术与应用》(第二版)
第10章 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
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)、光栅分类及结构
1、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——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
莫尔条纹具有三个特点:
1、莫尔条纹具有位移放
大作用
2、莫尔条纹移动与光栅
移动的对应关系
3、误差减小作用
莫尔条纹——亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。
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。
二、光栅传感器的工作原理
(一)光电转换原理
光栅传感器的光电转换系统结构:
1、光源,2、聚光镜,3、主光栅(又称标尺光栅),4、指示光栅,5光敏元件
(二) 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) 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
(一)细分方法:
1、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。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。
3、机械和光学细分。
(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、 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 (一)直接接收式光学系统
1、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
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) 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、透射分光式光学系统
2、反射分光式光学系统
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
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;

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  • 时间2022-01-25
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