传感器 第7章 光栅传感器.docVIP

光栅传感器 ( 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量测量； ( 利用光栅的相对移动，使透射光的光强度呈周期性变化，再由光电元件变为周期性变化的电信号，可获得光栅的相对移动量。 ( 光栅传感器精度高（测量直线精度最高可达到0.5m——3m/3000mm；测量角度精度最高可达0.15”）、分辨率高(可达0.05m和0.1”)、动态范围大，广泛应用于静态测量、主动测量及自动化等领域。 7.1 光栅基础 7.1.1 光栅分类及结构 1．光栅分类 ( 光栅按其原理和用途可分为: 物理光栅和计量光栅； ① 物理光栅 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光波长等量的测量； ② 计量光栅 主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。 ( 按其透射形式，光栅可分为: ① 透射式光栅 刻划基面采用玻璃材料； ② 反射式光栅 刻划基面采用金属材料。 ( 按栅线形式，光栅可分为: ① 黑白光栅（幅值光栅） 利用照相复制加工而成，栅线与缝隙为黑白相间结构； ② 相位光栅(闪耀光栅) 横断面呈三角状或锯齿状。 图 闪耀光栅线槽断面 ( 按其应用类型可分为: ① 长光栅又称为光栅尺 用于测量长度或线位移； ② 圆光栅又称盘栅 用于测量角度或角位移。 ( 长光栅有透射式和反射式，均有黑白光栅和闪耀光栅； ( 圆光栅一般只有透射式黑白光栅。 ( 还有激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅，本章介绍透射式的计量光栅。 2．光栅结构 ( 光栅 在刻划基面（玻璃尺或金属尺或玻璃圆盘）上等间距(或不等间距)地密集刻划线（叫栅线），使刻栅线处不透光（或不反光），没刻栅线处透光（或反光），形成黑白相间(透光与不透光)、排列间隔细小条纹构成的光电器件； ( 栅线 光栅上的刻线叫栅线，其宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，也可以做成a：b=1.1:0.9,而w=a + b称为栅距； ( 栅距 又叫光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100线/mm、250线/mm； ( 栅距角 圆光栅上相邻两条栅线的夹角叫栅距角y或称节距角。 图7.1 光栅结构 ( 圆光栅有三种栅线形式： ① 径向光栅 其栅线的延长线通过圆心（图a）； ② 切向光栅 其栅线的延长线与光栅盘的一个小同心圆相切； ③ 环形光栅 其栅线为一簇等间距同心圆组成。 圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64800条线。 图7.2 圆光栅栅线 7．1．2 莫尔条纹原理 ( 莫尔条纹成因 由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的(两只光栅参数相同)。 ① 主光栅（标尺光栅）用于满足测量范围，可以移动，也可以固定； ② 指示光栅(通常是从主尺上截一段)用于拾取信号，可以移动，也可以固定。 ③ 将主光栅与指示光栅的刻划面相向放置（片间缝隙很小）并且使两者栅线有很小的夹角，组成光栅副，在与栅线垂直方向出现明暗相间的条纹： ( a--a线上两只光栅栅线彼此重合，光线从缝隙中透过形成亮带（一系列棱形图案构成）； ( b—b线上两只光栅栅线相互交叠（错开），遮挡缝隙，光线不能透过形成暗带。 这种亮带、暗带相间的条纹称为莫尔条纹。 由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹。 ( 光闸莫尔条纹 当主尺与指示光栅间刻线夹角等于零时，莫尔条纹的宽度呈无限大，当两者相对移动时入射光的作用就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。两光栅相对移动一个栅距，光闸莫尔条纹明暗变化一次。 7.1.3 莫尔条纹特点 1．位移放大作用 图7.3 莫尔条纹原理 ( 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角的关系为 令k为放大系数，则 ( 一般很小，所以放大系数k很大。若两光栅的光栅常数相等，莫尔条纹具有放大作用。例如W=0.02mm，=0.1度，则B=11.4592mm，其k值约为573，其它方法不易得到如此大的放大倍数。所以尽管栅距很小，难以观察，但莫尔条纹却清晰可见，这有利于安装接收莫尔条纹的光电元件。 ( 莫尔条纹的宽度B由给定的光栅常数W和光栅夹角决定。对于给定的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，即条纹越稀。通过调整夹角可使条纹达到所需要求。 ( 在安装调节时，通过调整角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使电接收元件能正确接收光信号。对于100线/mm的光栅，栅距为O.01 mm，当夹角O.06时，莫尔条纹间距B可达10 mm，放大了1000倍。 2．运动对应的关系 莫尔条纹运动与光栅运动之间具有对应性： 莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严