第2章位移检测传感器之光栅传感器

为了能够分辨比W更小的位移量，就要提高分辨力，
一种方法是可以采用增加刻划密度的方法来减少栅距， 但这种方法受到制造工艺或成本的限制，如倘若要读 出位移为0.1m，势必要求每毫米刻线1万条，这是 目前工艺水平无法实现的。
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5.细分技术
另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分
后计数脉冲提高了n倍，所以细分又称倍频， 细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地 提高光栅的分辨力。
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23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光电元 件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm脉冲，则 光栅的栅距为（ ）（模拟一）
用四倍细分，则分辨力是光栅栅距的1/4，则光栅栅距为分 辨力的4倍。4*0.004=0.016mm
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9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为50线/mm, 当用4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为 （ ）（模拟一）
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23、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位 移测量传感器的输出信号进行（ 细分 ）（模拟四）
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31、已知光栅式位移传感器的栅线为50线/mm，主 光栅和指示光栅的栅线的夹角为0.2º 。(模拟四） （1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大 系数； （2）测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周 期的光强信号，求测得的位移是多少？ （3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多 少？
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3. 光学系统 由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相 同，常采用的光学系统有： (1)透射式光路 (2)反射式光路


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（1） 透射式光路


光源5发出的光线经准直 透镜4变成平行光，入射 到指示光栅3上，经过指 示光栅3和标尺光栅2， 再透射到光敏元件1上。 一般标尺光栅固定不动， 而光源、指示光栅和光 敏元件固定在被测位移 体上，莫尔条纹的移动 信号被光敏元件接收。 每当亮带通过光敏元件 时，有一个相应的电信 号输出。
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4. 圆光栅

用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置， 偏心量为e，这时形成不同曲率半径的圆弧形 莫尔条纹如图所示 其条纹间距为

B
H
WR e
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4. 圆光栅 动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角 度量变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件， 将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电 信号。测角精度可达0.15”，分辨力可达0.1”， 甚至更高。
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课堂练习
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4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移 的传感器是（单一）
A、电阻式传感器 B、电感式传感器 C、压电式传感器 D、光栅式传感器
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4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移 的传感器是（单一）
D、光栅式传感器
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1、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线 的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）
A、0.022mm B、0.07mm C、1.27mm D、3.99mm
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11、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线 的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为 （单一）
C、1.27mm
0.04 B W 1.27 mm H 1.8 / 180 *
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23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光电元 件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm脉冲，则 光栅的栅距为（ ）（模拟一）
——常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍 频细分法、计算机细分法等。
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四倍频细分法 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下 图(a)所示，得到相位分别相差π/2四个正弦周期信号。用适 当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图 所示的脉冲信 号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲 的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲 信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将 是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。
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2. 长光栅位移传感器



在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅 作成一个标尺光栅和一个指示光栅。 标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量 程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统 的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。 光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条 /mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。

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4. 圆光栅 二、光栅式位移传感器 4. 圆光栅 (1)切向圆光栅 (2)径向圆光栅
径向圆光栅
切向圆光栅
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5.细分技术
由前面分析，光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移
动一个条纹间距BH，光电元件输出就变化一个周期 2π，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数， 则它的分辨力只有一个光栅栅距W.
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10、若某光栅栅线为25线/mm，则四倍细分后，其 分辨力是多少？(密押二）
C、0.01mm/脉冲
=1/25/4=0.01mm
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莫尔条纹有如下特点
——运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫 尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。 光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。 ——莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅 距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH； ——莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅 条纹夹角之间关系为BH= W/θ ,θ 越小， 则BH越大。这相 当于把栅距 W放大了 1/θ 倍。如对于25线/mm长光栅而言， W=0.04mm,若θ =0.016rad，则 BH =2.5mm (这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹 移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现 高灵敏的位移测量)

1 / 50 5.73mm 0.2 / 180 *
A 5.73 286 .5 1 / 50 1/ 50 0.005 mm 分辨率 4
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10、若某光栅栅线为25线/mm，则四倍细分后，其 分辨力是多少？
A、0.001mm/脉冲
B、0.005mm/脉冲
C、0.01mm/脉冲 D、0.02mm/脉冲
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莫尔条纹有如下特点
——莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹 由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的 刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精 度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。
——莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。 如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即 移过100x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过 的莫尔条纹也是100x条。 由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光 敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计 数，就可知道移动的实际位移。
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1. 长光栅位移传感器的工作原理
当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则 沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每 移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量 莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。 光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方 向. 莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光 栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。 因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动 的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移 的检测。
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莫尔条纹有如下特点
——当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹
的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一 个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫 尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号， 如图所示。
U
其电压为：
o W/2 W 3W/2 2W
Um
U0
x
2x U U 0 Um sin W Nhomakorabea41
31、已知光栅式位移传感器的栅线为50线/mm，主 光栅和指示光栅的栅线的夹角为0.2º 。 （1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大 系数； （2）测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周 期的光强信号，求测得的位移是多少？ （3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多 少？
B H
W
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莫尔条纹

根据莫 尔条纹 效应设 计光栅 传感器。
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莫尔条纹
若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即 莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有
W W BH 2(sin / 2)
这里θ 是弧度，如果夹角为0.10，则 θ =0.1/180*π ,则BH=573W,相当于把栅距放 大了573倍。
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9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为50线/mm, 当用4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为 （ ）（模拟一）
分辨率是一个光栅栅距，即1/50=0.02mm，若用四个光电元 件，即经过四倍细分后，则光栅栅距为分辨力的4倍。分辨 力为0.02/4=0.005mm
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23、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位 移测量传感器的输出信号进行（ ）（模拟四）
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长光栅式位移传感器的特点
长光栅位移传感器的测长精度可达0.5～ 3m (3000mm范围内)，分辨力可达0.1m, 可进行无接触测量

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4. 圆光栅

用两块刻线数目相同，切线圆半径分别为r1、 r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔 条纹如图所示 其条纹间距为

B
H

WR r1 r 2
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光栅的构造：
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1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源