光栅传感器教学课件.ppt

1、 光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长测量，直到了近代才开始利用光栅的莫尔条纹现象测量，直到了近代才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨力特别强力特别强 （长度可达（长度可达0.050.05，角度可达，角度可达0.10.1），所），所以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电路的设计、检测等方面路的设计、检测等方面,尤其是目前军事领域。尤其是

2、目前军事领域。光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光电器件。不透光相间排列的光电器件。栅线栅线光栅上的刻线，宽度光栅上的刻线，宽度a a 缝隙宽度缝隙宽度b b 栅距栅距w=a+bw=a+b（也称光栅常数）（也称光栅常数）光栅的结构光栅的结构按原理和用途：物理光栅和计量光栅按原理和用途：物理光栅和计量光栅 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。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

3、测量。分类分类按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料 反射式光栅：刻划基面采用金属材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按应用类型：长光栅和圆光栅按应用类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅栅 尺，刻线相互平行；用于测量长度尺，刻线相互平行；用于测量长度或或 线位移线位移构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(1

4、0、25、50、100、125线线/mm)圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移位移.wab放 大(a)长 光 栅(b)圆 光 栅放 大wab栅距栅距栅线宽度栅线宽度缝隙宽度缝隙宽度栅距角栅距角圆光栅分类：圆光栅分类：根据根据栅线刻划的方向栅线刻划的方向，圆光栅分三种：，圆光栅分三种：径向光栅径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；圆心；切向光栅切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切;环形光栅环形光栅:一簇等间

5、距同心圆组成一簇等间距同心圆组成.若按若按光线的走向光线的走向，圆光栅只有透射光栅。，圆光栅只有透射光栅。(a)径 向 光 栅(b)切 向 光 栅(c)环 形 光 栅按栅线形式：黑白光栅和闪耀光栅按栅线形式：黑白光栅和闪耀光栅 黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线 与缝隙为黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工 而成。光栅副 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。包括有包括有光电池光电池和和光

6、敏三极管光敏三极管等部分。等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。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 光栅的外形及结构光栅的外形及结构光栅的外形及结构光栅的外形及结构 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小当指示光栅和主光栅的

7、刻线相交一个微小的夹角的夹角时时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上上,产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫莫尔尔条纹条纹”。长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹2sin2WWB相邻两条莫尔条相邻两条莫尔条纹间距纹间距B B与栅距与栅距W W及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：的关系为：横向莫尔条纹：横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角由于两光栅的栅线夹角 很小，条很小，

8、条纹近似与栅线的方向垂直，故称为纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0，且两光栅栅距不且两光栅栅距不等时产生的莫等时产生的莫尔条纹尔条纹。光闸莫尔条纹：光闸莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0,且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时等时产生的莫尔条纹。产生的莫尔条纹。横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹1.1.位移放大作用位移放大作用2sin2WWB相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔条纹间距B B与栅距与栅距w w及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：的关系为：wababaababaBw2 1B1

9、WBBkW结论：结论：越小越小,k,k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1，W=0.02mmW=0.02mm时时 =0.1=0.1=0.1=0.12/360=0.00175432rad2/360=0.00175432rad 则：则：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k k为放大系数，为放大系数，则：则：2.可以进行细分，提高精度可以进行细分，提高精度 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术

10、”。这样可以提。这样可以提高高测量精度或可以采用较粗的光栅。测量精度或可以采用较粗的光栅。3.3.误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差消差作用。作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,几条刻线的栅距几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上在很大程度上消除短周期误差消除短周期误差的影响。的影响。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。此光路适合于粗栅距的黑

11、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。光源光源1发出光线发出光线准直透镜准直透镜2平行光束平行光束光栅副光栅副3、4光电元件光电元件5接收接收固定固定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。光源光源6聚集透镜聚集透镜5场镜场镜3平行光呈某角度照射反射光平行光呈某角度照射反射光栅副栅副1、2上上反射镜反射镜4物镜物镜7光电池光电池8。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，单个光

12、电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方方向，因而就向，因而就不能判别运动零件的运动方向不能判别运动零件的运动方向，以致，以致不不能正确测量位移。能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结结果。果。在相距在相距1/4的位置上设置两个光电元件的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差

13、以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号 正向移动时脉冲数累加，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。辨向电路各点波形图辨向电路各点波形图2u 是元件1输出的波形，超前 90 是元件2输出的波形；是 波经整形放大后的脉冲方波；是 波形经整形放大后的脉冲方波，仍超前 90；是 反相后得到的脉冲方波；是 经微分电路后得到的脉冲波；是 经微分电路后得到的脉冲波1u2u2u2u2u1u1u2u1u 1u1u1u wu1wu1 对于“与门 ”：当 高电平时

14、，总是处于低电平，所以 输出为零（0）对于“与门 ”：当 高电平时,总是处于高电平，所以 输出为高（1）此时触发器：置“1”，（控制）“可逆计数器”作 加法计数 1y2ywu12u1ywu1 2u2y目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法：1.增加光栅刻线密度；2.电子细分；3.机械和光学细分。每个输出脉冲间隔代表一个栅距 电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出n个脉冲,每个脉冲代表原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍,因此也称之为n倍频法。通常采用的电子细分方法有：直接细分和电阻电桥细分、电阻链细分等。直接细分直接细分又称又称位置细分位置细分，常用的细分

15、数为，常用的细分数为4。四细分可用四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。个计数脉冲，实现了四细分。优点：优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简对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。单，可用于静态和动态测量系统。缺点：缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。光电元件安放困难，细分数不能太高。四倍频细分四倍频细分 方案：方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个四个光电光电元件，得到四个相差依次为元件，得到四个相差依次为/2/2的电压信号；

16、或在的电压信号；或在相差相差B/4B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四个依次相差个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 细分前后比较 由于光栅传感器由于光栅传感器测量

17、精度高、动态测量范围测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。，因而在机械工业中得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为光栅传感器通常作为测量元件测量元件应用于机床定应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。加速度、振动等。光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为 /2的原始信号；光电元件：光电三极管 四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，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。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。密封，防止尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。数显表数显表