第10章：光栅传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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称为光栅,传感器。,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（又叫黑,白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。,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,所谓光栅，,简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。,圆光栅有三种形式：一种,是径向光，其栅线的延长线通过圆心；,第二种,是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；,第三种,是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。,（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，如图,104,（,a,）所示。,（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,如图,105,所示。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,/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。,（三）电位器桥细分,为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为,/2,的正弦交流信号,UmSin,、,UmCos,、,-,UmSin,、,-,UmCos,（,=2X/,）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行,12,60,（为,4,的整倍数）细分，如图,107,所示。,一种用于,48,细分的电位器电桥细分电路如图,108,所示。,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（,m,）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。,五、常用光学系统（一）常用光学系统,1,、透射直读式光路,一般的透射式光路如图,109,（,a,）所示。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,10,10,所示为数控机床中的小型光栅式传感器,2,、反射直读式光路,如图,1011,所示。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。,图,1013,为四分透镜分光式电路。,1,、透射分光式光学系统,图,1012,所示,：,2,、,反射分光式光学系统,图,1014,所示：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：,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；,能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号；,工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易；,在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易,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）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,透镜的通光口径,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）光栅副,1,、主光栅,材料的选择,制作光栅的材料有玻璃和金属两类。,栅距的选择,栅线线宽和长度的选择,2,、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）光电接收元件,1,、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。,