光栅传感器
光栅传感器原理
光栅传感器原理光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。
光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。
由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。
传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。
标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。
这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。
传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。
这种传感器的优点是量程大和精度高。
光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。
在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），二是透射光栅（也称为长周期光栅）。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。
光栅式传感器介绍
工业自动化
机器人控制：光栅式传感器用于机器 人关节位置检测和速度控制
生产线监控：光栅式传感器用于生产 线设备状态监控和故障诊断
物料搬运：光栅式传感器用于物料搬 运设备的位置检测和速度控制
自动化仓储：光栅式传感器用于自动 化仓储系统的货物定位和库存管理
航空航天
1
卫星姿态控制：光栅式传感器用于 测量卫星姿态，确保卫星在轨道上
演讲人
Байду номын сангаас
目录
01. 光栅式传感器原理 02. 光栅式传感器技术特点 03. 光栅式传感器应用案例
光栅结构
01 光栅是由一系列平行、等间距的狭缝或小孔组成的光学元件。 02 光栅的主要功能是衍射和干涉，使得光线在通过光栅时产生
不同的衍射和干涉现象。
03 光栅式传感器的原理是利用光栅的衍射和干涉特性，通过检 测光栅上的光信号变化来测量物体的位移、速度等物理量。
03
血压计：测量血压，
监控血压变化
02
呼吸机：监测呼吸频
率和深度，辅助呼吸
01
心电图仪：测量心脏
活动，诊断心脏疾病
04 光栅式传感器具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优 点，广泛应用于各种测量和控制领域。
工作原理
01
光栅式传感 器主要由光 源、光栅、 接收器、信 号处理电路 等部分组成。
02
光源发出光 束，照射到 光栅上，形 成一系列明 暗相间的条
纹。
03
接收器接收 这些条纹， 并将其转换 为电信号。
04
光栅式传感器可以测量微小位移和角 度，精度可达微米级。
光栅式传感器可以测量高速运动物体 的位移和速度，精度不受速度影响。
光栅式传感器可以测量温度、压力等 物理量，精度较高。
光栅传感器
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。
1.直接细分
直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。 四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹 的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。
光栅应用
光栅应用
光栅应用
光栅应用
长度计
光栅传感器的应用
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 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 密封，防止尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。
光栅传感器的应用 数显表
根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种: 径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘
的圆心； 切向光栅: 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Байду номын сангаас米的小圆相切; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成.
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
(a) 径 向 光 栅
(b) 切 向 光 栅
(c) 环 形 光 栅
光闸莫尔条纹: 当栅线的夹角θ＝0, 且两光栅栅距相 等时产生的莫尔条纹。
横向莫尔条纹 光闸莫尔条纹
纵向莫尔条纹
4.5.3 莫尔条纹的特征
1.位移放大作用
相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ
的关系为:
w
B
W
2sin
W
a b a
2
b
a
21
光栅传感器
光栅传感器1. 概述光栅传感器是一种用光学原理来测量或检测物体位置、速度或变化的设备。
它由发光源、光栅结构和接收器组成，其工作原理是通过光栅结构对光的干涉和衍射效应进行测量和分析。
2. 工作原理光栅传感器的工作原理基于光的干涉和衍射效应。
光栅结构是在透明介质上刻制有大量平行的条纹，这些条纹被称为光栅。
当光通过光栅结构时，会发生干涉和衍射效应，形成一系列亮暗的条纹。
这些条纹的性质和位置与光栅的特性以及物体与光栅之间的距离密切相关。
根据光栅传感器的类型和应用，可以采用不同的光栅结构。
常见的光栅结构包括位移光栅、角度光栅和频率光栅等。
光栅传感器的基本工作原理可以分为以下几个步骤：1.发光源发出一束光，经由透镜或反射后照射到光栅上。
2.光栅结构对光进行干涉和衍射，形成一系列亮暗的条纹。
3.通过接收器接收到被物体反射或透射的光，将光的特性进行分析和测量。
4.根据分析结果计算出物体的位置、速度或变化等信息。
3. 应用领域光栅传感器在许多领域都有广泛的应用。
以下是光栅传感器常见的应用领域：3.1 位移测量光栅传感器可用于测量物体的位移。
通过测量光栅条纹的移动情况，可以计算出物体的位移距离。
位移测量在机械制造、精密加工和自动化控制等领域中非常重要。
3.2 速度测量光栅传感器还可用于测量物体的速度。
通过分析光栅条纹的变化情况，可以计算出物体的速度。
速度测量在传输系统、运动控制和机器人技术等领域中发挥着重要作用。
3.3 表面形貌测量光栅传感器还可用于测量物体表面的形貌。
通过分析光栅条纹的形态和变化情况，可以得到物体表面的高度、形状和曲率等信息。
表面形貌测量在材料科学、精密加工和质量控制等领域中有广泛的应用。
3.4 液位检测光栅传感器还可用于液位检测。
通过测量光栅条纹在液体中的变化情况，可以判断液体的高度和位置。
液位检测在油田、化工和环境监测等领域中具有重要意义。
3.5 目标检测与识别光栅传感器还可用于目标检测与识别。
光栅传感器
4.电位器桥（电阻链）细分 •实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为90度的交流信号 Umsinθ,Umcosθ和-Umsinθ,-Umcosθ。以这四 个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位 器，构成电位器桥，把θ=0-360度, （x=0-W）
分成四个象限。(2πx/w=θ)
每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作 用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相 同的一系列移相信号（新函数）。
3
1
2
4
BH 4 B B
u
u1
3W 4
u2
0 W W
4 2
W
x
A
u1
u 2
Y1 A
A
u1 u 2
A
Y2
1 、 2 —光 电 元 件 ； 3 、 4 —光 栅 ； A( A )—光 栅 移 动 方B 向 ( ； ) —A 与 ( B )对 应 的 莫 A尔 条 纹 移 动 方 向
辨向逻辑工作原理
从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1′经 微分电路后产生的脉冲 , 正好发生在u2′的“1”电平时，从而
经Y1输出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生的脉冲，则
与u2′的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅 沿Ā方向移动时，u1′的微分脉冲发生在u2′为“0”电平时，与
门Y1无脉冲输出；而 u1′的反相微分脉冲则发生在 u2′ 的“1”
电平时， 与门Y2输出一个计数脉冲,则说明u2′的电平状态作为 与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1′所产生的脉 冲输出。 这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减 计数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参
光栅传感器种类
光栅传感器种类光栅传感器是一种将物体的位置、速度、方向等信息转化为电信号输出的传感器。
它通过光电转换原理，将物体所反射出的光信号转化为电信号，从而实现对物体运动状态的监测和控制。
光栅传感器广泛应用于自动化生产线、机床加工、包装印刷、物流仓储等领域。
本文将介绍几种常见的光栅传感器种类。
一、依据工作原理分类1. 光电式光栅传感器光电式光栅传感器是最基本的一种光栅传感器，它通过发射红外线或激光束，利用反射回来的信号来检测目标物体的位置和运动状态。
这种传感器具有响应速度快、精度高、适应性强等优点，但受环境影响较大。
2. 激光式光栅传感器激光式光栅传感器是一种采用激光束作为探测源的高精度测量设备。
它可以实现非接触式测量，并且具有高分辨率和高灵敏度等优点。
激光式光栅传感器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
3. 光纤式光栅传感器光纤式光栅传感器是一种采用光纤作为探测元件的传感器。
它具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，可以实现对微小变形的检测和监测。
光纤式光栅传感器广泛应用于航空航天、地震监测等领域。
二、依据应用场景分类1. 带轴承旋转编码器带轴承旋转编码器是一种将物体的角度信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的轴承结构，可以实现对旋转物体的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
带轴承旋转编码器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
2. 线性位移编码器线性位移编码器是一种将物体的位移信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的测量元件，可以实现对物体在直线方向上的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
线性位移编码器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
3. 光栅尺光栅尺是一种将物体的位置信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的光栅结构，可以实现对物体在直线方向上的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
光栅尺广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
三、依据输出信号分类1. 模拟式光栅传感器模拟式光栅传感器是一种将物体运动状态转化为模拟电信号输出的传感器。
光栅式传感器介绍
光栅式传感器介绍光栅式传感器是一种基于光学原理的传感器，能够将光信号转化为电信号，用于检测或测量光的强度、位置、速度以及其他特性。
它的工作原理是利用光的衍射、干涉或散射效应来产生干涉图样，通过测量这些图样的变化来获得所需的信息。
光栅式传感器具有非接触性、高精度和快速响应等优点，在工业、医疗、交通等领域得到广泛应用。
光栅是光栅式传感器的核心部件，它是一种周期性的光学结构，可以将入射的平行光束分成多个发散的光束或将多个光束聚焦成一个平行光束。
常用的光栅包括光栅电视、光柵和全息光栅等。
光柵是由一组平行的凹槽或凸起组成，光束经过光柵时会发生衍射现象；全息光栅则是利用光干涉效应形成的一种特殊光栅，相对于光柵具有更高的解析度和灵敏度。
光栅式传感器常用于测量光的强度和位置。
当光束通过光柵时，由于衍射效应会产生干涉图样，根据干涉图样的变化可以测量光的强度。
当光线照射到光栅上时，通过测量干涉条纹的位置变化可以确定物体的位置。
例如，在机械加工中可以利用光栅式传感器实时检测机器刀具的位置，从而实现精确的加工操作。
另外，光栅式传感器还可以用于测量光的频率、速度和角度等。
光栅式传感器的优点之一是其高精度。
由于光栅是一种周期性结构，可以将光分成很多子光束，从而实现对光的高分辨率测量。
此外，光栅式传感器具有非接触性的特点，可以避免与物体发生摩擦或磨损，从而提高传感器的使用寿命。
同时，光栅式传感器的响应速度较快，可以在短时间内完成测量过程。
光栅式传感器在工业自动化、机器人技术、医学诊断、光学仪器等领域得到广泛应用。
在工业自动化中，光栅式传感器可以用于检测和测量物体的位置、形状和尺寸，实现精确的自动化控制。
在机器人技术中，光栅式传感器可用于感知环境，并实现机械臂的精确定位和运动控制。
在医学诊断中，光栅式传感器可以用于测量人体各种参数，如心率、血压等，实现精确的医学检测。
此外，光栅式传感器还广泛应用于光路校准、光学仪器等领域。
总之，光栅式传感器是一种基于光学原理的传感器，能够将光信号转化为电信号，用于测量光的强度、位置、速度等特性。
光纤光栅传感器
温度传感
温度传感
光纤光栅传感器能够实时监测温度变化，广 泛应用于电力、能源、环保等领域的温度监 控。通过将光纤光栅传感器安装在发热设备 或热流通道中，可以实时监测温度，实现设 备的预防性维护和安全控制。
温度传感特点
光纤光栅传感器具有测温范围广、响应速度 快、精度高、稳定性好等特点，能够实现高 精度的温度测量和实时监测。
航空航天
用于监测飞机和航天器的结构健康状况，如机翼、 机身等关键部位的温度、应变和振动等参数。
智能交通
用于监测高速公路、桥梁和隧道等基础设施的结 构健康状况，以及车辆速度、流量等交通参数。
06 光纤光栅传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器
总结词
电容式传感器利用电场感应原理，通过测量电容器极板 间距离的变化来检测位移或形变。
分布式测量
长距离传输
光纤光栅传感器可以实现分布式测量，即 在同一条光纤上布置多个光栅，实现对多 点同时监测。
光纤光栅传感器以光纤为传输媒介，可实 现远距离信号传输，适用于长距离、大规 模监测系统。
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抗电磁干扰
光纤光栅传感器采用光信号传输，不 受电磁干扰的影响，特别适合在强电 磁场环境下工作。这使得光纤光栅传 感器在电力、航空航天、军事等领域 具有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的抗电磁干扰特性使 其在复杂环境中能够稳定工作，提高 了测量的可靠性和准确性。
耐腐蚀与高温
光纤光栅传感器采用石英光纤作为传输介质，具有优良的化 学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的化学环境下正常工作。 同时，石英光纤的熔点高达1700℃，使得光纤光栅传感器能 够在高温环境下进行测量。
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器
光纤光栅传感器概述光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器。
它利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，从而实现对物理量的测量和监测。
光纤光栅传感器具有高精度、长寿命、抗干扰等特点，在许多领域中广泛应用。
工作原理光纤光栅传感器的工作原理基于布拉格光栅的特性。
布拉格光栅是一种光学衍射结构，它由一系列等间距的折射率变化区域组成。
当入射光波与光栅相互作用时，会发生光衍射现象。
根据不同的入射角度和波长，只有特定的波长会在特定的入射角度下被反射回来。
这个特定波长就是布拉格波长。
在光纤光栅传感器中，通过将光纤中一段长度的折射率周期性变化，形成一个布拉格光栅。
当光信号从光纤中传输经过光栅区域时，会发生衍射现象，反射出特定波长的光信号。
通过测量这个特定波长的光信号的强度变化，可以得到物理量的信息。
应用领域光纤光栅传感器在许多领域中得到广泛应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 温度测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随温度的变化来实现温度的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，在工业过程控制、环境监测等方面应用广泛。
2. 应变测量：光纤光栅传感器可以通过测量光纤中的布拉格波长随应变的变化来实现应变的测量。
由于光纤的柔性和高强度特性，这种传感器在结构健康监测、材料力学测试等领域中具有广泛的应用前景。
3. 液位测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随液位的变化来实现液位的测量。
这种传感器具有高灵敏度、非接触式测量等优点，适用于液体储罐、水池等液位监测场景。
4. 压力测量：光纤光栅传感器可以通过测量光栅中的布拉格波长随压力的变化来实现压力的测量。
这种传感器具有高精度、快速响应等优点，适用于工业流体控制、汽车发动机监测等领域。
总结光纤光栅传感器是一种基于光纤传输和光栅技术的传感器，利用光栅的特性来测量光纤中的光信号，实现对物理量的测量和监测。
它具有高精度、长寿命、抗干扰等优点，在温度测量、应变测量、液位测量、压力测量等领域中得到广泛应用。
光栅传感器参数
光栅传感器参数光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，主要用于测量位置和运动。
它通过接收被测物体反射或散射的光线，并利用光学原理将光信号转换为电信号，从而实现对被测物体位置和运动的测量。
光栅传感器具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，被广泛应用于工业自动化、机器人、医疗设备等领域。
一、光栅传感器的基本原理光栅传感器的工作原理是利用光学光栅来进行测量。
光栅是一种具有规则周期结构的透明或不透明的物体，它可以使入射光束发生衍射现象，通过测量衍射光的强度和相位来确定被测物体的位置和运动状态。
光栅传感器通常由光源、光栅、接收器和信号处理电路组成。
光源发出的光线照射到被测物体上，经过反射或散射后被接收器接收，并转换为电信号，经信号处理电路处理后输出测量结果。
二、光栅传感器的参数1. 分辨率光栅传感器的分辨率是指其能够分辨的最小位移量。
通常以每个周期的衍射光强度变化为单位来表示，分辨率越高表示传感器能够测量到更小的位移变化。
光栅传感器的分辨率受到光栅周期数和光源波长的影响，通常采用更多的光栅周期和更短的光源波长来提高分辨率。
2. 精度光栅传感器的精度是指其测量结果与被测物体真实位置之间的偏差。
精度受到光栅制造工艺、光源稳定性和接收器灵敏度等因素的影响。
通常通过校准和调节来提高光栅传感器的测量精度。
3. 测量范围光栅传感器的测量范围是指其能够覆盖的位移范围。
传感器的测量范围受到光栅周期数和接收器灵敏度的限制，通常可以通过选择合适的光栅尺寸和接收器灵敏度来扩大测量范围。
4. 响应速度光栅传感器的响应速度是指其对被测物体位置变化的响应时间。
响应速度受到光源亮度、接收器灵敏度和信号处理电路响应时间的影响，通常采用提高光源亮度和接收器灵敏度来提高传感器的响应速度。
5. 环境适应性光栅传感器的环境适应性是指其在不同环境条件下的稳定性和可靠性。
传感器通常需要具有抗干扰能力和防尘防水性能，以确保在工业现场等恶劣环境中能够稳定工作。
光栅传感器(Optical gratings)
将输出的电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过 辨向电路和可逆计数器计数，就可以数字形式实时地显示出位移量的大小。
若指示光栅采用裂相光栅，一般由4个部分构成，每一部分的刻线间距与对应的标尺 光栅完全相同，但各个部分之间在空间上依次错开的距离(n为整数)，若用光电器件 分别接收裂相光栅4个部分的透射光，可以得到相位依次相差的4路信号如下：
(a) 刻线对齐 (b) 错开W/4 (c) 错开W/2 (d) 错开3W/4
2) 圆光栅的莫尔条纹 (1) 径向光栅的莫尔条纹。在几何量的测量中，径向光栅主要使用两种莫尔条纹：圆弧形 莫尔条纹和光闸莫尔条纹。
① 圆弧形莫尔条纹。两块栅距角γ相同的径向光栅以不大的偏心叠合，在光栅的各个 部分，栅线的夹角均不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。
光栅式传感器有如下的特点： (1) 大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程长度与直线位移测量方面，长光栅测量精 度仅低于激光干涉传感器；圆分度和角位移测量方面，圆光栅测量精度最高。一般长光 栅测量精度达(0.5～3)/3000 mm，分辨力达0.1，圆光栅测量精度达0.15″，分辨力达 0.1″。 (2) 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。 (3) 具有较强的抗干扰能力，适合一般实验室条件和环境较好的车间现场。
第七章--光栅传感器知识讲解
第7章 光栅传感器 图7.3 莫尔条纹原理
第7章 光栅传感器 7.1.3
1. 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ的关系 为
(7.1)
令k为放大系数，则
(7.2)
第7章 光栅传感器
2. 由图7.1知，若光栅栅距为w，刻线数为i，移动距离为x， 则
x=i w
(7.3)
将式(7.3)代入式(7.1)中，有
图7.2 圆光栅栅线
第7章 光栅传感器
7.1.2 计量光栅是利用莫尔现象来实现几何量的测量的。莫尔
条纹是由主光栅和指示光栅的遮光与透光效应形成的(两只 光栅参数相同)。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光 栅(通常是从主尺上裁截一段)用于拾取信号。将主光栅与指 示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角θ， 这样就可以看到，在a-a线上两只光栅栅线彼此错开，光线 从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列菱形图案构 成的；在b-b线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡缝隙， 光线不能透过形成暗带。这种亮带和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，因此该 莫尔条纹称为横向莫尔条纹。莫尔条纹原理如图7.3所示。
第7章 光栅传感器 图7.1 光栅的结构
第7章 光栅传感器 圆光栅有三种栅线形式：一种是径向光栅，其栅线的延 长线通过圆心；另一种是切向光栅，其栅线的延长线与光栅 盘的一个小同心圆相切；还有一种是其栅线为一簇等间距同 心圆组成的环形光栅。圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64 800条线。圆光栅栅线如图7.2
第7章 光栅传感器 图7.7 四路电信号波形
第7章 光栅传感器
7.2.3 位移测量传感器如果不能辨向，则只能作为增量式传感
器使用。为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的 莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且这两个莫尔条纹 信号相差90°相位。实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的 位置上安装两个光电元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮 度变化规律完全一样，相位相差π／2，滞后还是超前完全取 决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为位置细 分辨向原理。辨向原理如图7.5
光栅传感器
光栅传感器可作为空间探测器的感 知元件，实现对空间环境的实时监 测和感知，为空间科学研究和空间 探测任务提供支持。
其他领域应用案例
智能家居
光栅传感器可用于智能家居系统 中，实现门窗的自动开关、室内 照明的自动调节以及家庭安全监
控等功能。
医疗器械
光栅传感器可用于医疗器械中， 如医用激光设备、光学显微镜等 ，提高医疗设备的精度和稳定性
光栅传感器可用于汽车零部件的尺寸 、形状和表面缺陷检测，提高零部件 的制造精度和质量。
航空航天领域应用案例
飞机结构健康监测
光栅传感器可用于飞机结构的健 康监测，实时监测飞机结构的变 形、裂纹和疲劳等损伤情况，确
保飞行安全。
航天器姿态控制
光栅传感器可用于航天器的姿态控 制系统中，实时监测航天器的姿态 角和角速度等信息，实现航天器的 精确控制和稳定飞行。
多功能化
光栅传感器将集成更多功能， 如温度、压力、湿度等多参数 测量。
提高光栅传感器的测量精度和 稳定性，满足高端装备制造和 精密测量领域的需求。
当前面临的主要挑战
01
02
03
抗干扰能力
光栅传感器在复杂环境中 易受到干扰，如光照变化 、电磁干扰等，影响测量 精度。
长期稳定性
光栅传感器在长期使用过 程中，由于环境因素和器 件老化等原因，可能导致 性能下降。
前景
随着智能制造、物联网等新兴技术的快速发展，对测量 技术的要求越来越高，光栅传感器作为一种高精度、高 速度的测量技术，将在未来发挥更加重要的作用。同时 ，随着新型光源、新型光栅材料和先进制造技术的发展 ，光栅传感器的性能和应用范围将进一步拓展，为现代 测量技术的发展注入新的活力。
02
光栅传感器
光栅传感器的应用
总之，光栅传感器的应用范围非常广泛，它已经成为 现代工业和科技中不可或缺的一部分
x
随着技术的不断进步和应用需求的不断增长，光栅传 感器的应用前景将更加广阔
9
娱乐行业：在娱乐行业中，需要对各种设备的尺寸和位置进行高精度的测量和控制。光栅传感器可以 用来实现这些测量任务，并且能够提供实时反馈，从而优化设备的性能和稳定性
光栅传感器的应用
总之，光栅传感器作为一种高精度的光学测量设备，被广泛应用于各种领域中。随着技术 的不断发展和应用需求的不断增长，光栅传感器的应用前景将更加广阔 除了上述提到的应用领域，光栅传感器还有以下一些重要应用
机械加工：在机械加工过程中，需要对工件的尺寸和位置进行高精度的测量和控制。 光栅传感器可以用来实现这些测量任务，并且能够提供实时反馈，从而优化加工过程 和提高产品质量
航空航天：在航空航天领域中，需要对各种零部件的尺寸和位置进行高精度的测量和 控制。光栅传感器可以用来实现这些测量任务，并且能够提供实时反馈，从而优化制 造过程和提高产品质量
医疗设备：医疗设备需要高精度的测 量和控制，光栅传感器在医疗设备中 有着广泛的应用。例如，在手术机器 人中，光栅传感器可以用来实现高精 度的位置测量和运动控制，提高手术 的精度和安全性
质量控制：在质量控制中，需要 对各种产品的尺寸、形状、位置 等进行高精度的测量和控制。光 栅传感器可以配合其他检测设备， 实现这些测量任务，并且能够提 供实时反馈，从而优化质量控制 流程和提高产品质量
通过光学原理进行测量
光栅传感器
径向光栅进行角度测量
当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动， 测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。 测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。
光栅的光路
• 透射光路 • 反射光路
（1）透射式光路
在CP=0期间，G3、G4被封锁，触发器状态不变。 在CP=1期间，由R和S端信号决定触发器的输出状态。 图4-6 同步RS触发器 结论：触发器的动作时间是由时钟脉冲CP控制的。 （a） 逻辑电路 （b）逻辑符号
2. 工作原理(仿真运行图4－6) 3. 功能表（在CP=1期间有效） 现态：CP脉冲作用前触发器的原状态，用Qn表示； 次态：CP脉冲作用后触发器的新状态，用Qn+1表示。
辨 向 电 路 各 点 波 形 图
细分技术
• 提高分辨力方法： 提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下， 在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅 距进行测微，电子学中称“细分” 距进行测微，电子学中称“细分”，来得 到所需的最小读数值。 到所需的最小读数值。 • 细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只 细分就是在莫尔条纹变化一周期时 就是在莫尔条纹变化一周期时， 输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲， 输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以 减小脉冲当量提高分辨力。 减小脉冲当量提高分辨力。
光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成。 光栅副是光栅传感器的主要组成部分，由主光栅（标尺 光栅）和指示光栅组成。当标尺光栅相对于指示光栅移 动时，形成的莫尔条纹产生明暗交替的变化，利用光电 接收器件将莫尔条纹亮暗交替的光信号，传唤成电脉冲 信号，并用数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。
光栅传感器
横向莫尔条纹（亮带与暗带）之间距离为
BH = AB = BC sin
（6-4） 式中 BH——横向莫尔条纹之间的距离； W——光栅常数。 （二）莫尔条纹技术的特点 ①由（6-4）式可知，虽然光栅常数W很小，但 只要调整夹角θ，即可得到很大的莫尔条纹的宽 度BH，起了放大作用。 ②莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，因此， 便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。 ③对光栅刻线的误差起了平均作用。 ④莫尔条纹可进行位移测量和角度测量。
主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电 元件2的输出电压波形如图6-17（a）。 主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动。这时光电 元件2的输出电压波形如图6-17（b）。 五、细分技术 所谓细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一 个脉冲，而是输出若干个脉冲， 以减少脉冲当量提高分辨率。 （一）直接细分（位置细分） 使用单个光电元件未 进行细分时的波形和 脉冲数见图6-18（a）， 四细分时的波形和脉 冲数图（b）
Asin (θ +α) USC = sin α + cosα
(二)电阻电桥细分法(矢量和法) 如图6-19所示, (6-6)
图6-20所示是这种电阻电桥 细分法用于10细分的例子。
（三）电阻链细分法（电阻分割法） 图6-21 等电阻链细分电路
§6-2 光栅传感器
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成 的，主要用于线位移和角位移的测量。 一、光栅传感器的结构原理 光栅传感器由照明系统、光栅副 和光电接收元件组成，如图6-9所示。 图6-10中 a为刻度宽度， b为刻度线间的缝隙宽度， a+b=W称为光栅的栅距 （或光栅常数）。
二、莫尔条纹形成的原理及特点 （一）莫尔条纹的形成原理 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起 （片间留有很小的间隙），并使两者栅线（光栅刻线） 之 间保持很小的夹角θ，于是在近于垂直栅线的方向上出 现明暗相间的条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条 纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称横向莫条 纹。 如图6-11所示， 横向莫尔条纹的斜率为 tgα=tg（θ/2） 式中 α—亮（暗）带的倾斜角； θ—两光栅的栅线夹角。
光栅传感器
当主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动，如图(b)(此时u2超前u1
90°)。 对与门Y1，u’1w高电平时，u’2总处于高电平，故Y1有输出；而 对与门Y2，u’’1w高电平时，u’2却处于低电平，故Y2无输出值。此时
使加减控制触发器置0，将控制可逆计数器做减法计数。
下图为光栅式万能测长仪的工作原理图。主光栅采用透射式 黑白振幅光栅，光栅栅距W＝0.01μm，指示光栅采用四裂相光 栅。照明光源采用发光光谱为930nm～l000nm的红外发光二极管， 接收用光电三极管，两光栅间的间隙为0.02nm～0.035mm。由于 主光栅和指示光栅之间的透光和遮光效应，形成莫尔条纹，当两 块光栅相对移动时，便可接收到周期性变化的光通量。利用四裂 相指示光栅依次获得sin、cos、-sin和-cos四路原始信号，以 满足辨向和消除共模电压的需要。
按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅，分别用于 线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射 光栅。
2
4.5.1 光栅传感器的结构
光栅传感器由光源、透镜、光栅 副（也称光栅尺，包括主光栅和 指示光栅）和光电接收元件组成。
光栅副是主要部分，主要由主光 栅(也称标尺光栅)和指示光栅组 成。当主光栅相对于指示光栅移 动时，形成亮暗交替变化的莫尔 条纹。利用光电接收元件将莫尔 条纹亮暗变化的光信号，转换成 电脉冲信号，并数显，便可测量 主光栅的移动距离。
例如，莫尔条纹变化一周期输出4个脉冲数，即四细分。在此情 况下，若采用栅距为4μm的光栅，其分辨率可从4μm提高到1μm。 细分越多，分辨率自然越好。
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（1）直接细分
直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。一种四细 分的方法是用四个依次相距BH/4的光电元件，以获得 依次有相位差900的4个正弦交流信号。用鉴零器分别鉴 取4个信号的零电平，即在每个信号由负到正的过零点 时发出一个计数脉冲。这样在莫尔条纹的一个周期内 将产生4个计数脉冲，实现了四细分。
光栅传感器种类
光栅传感器种类光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，用于测量物体的位置、运动、速度、加速度等参数。
根据不同的测量需求，光栅传感器可以分为多种类型，下面将介绍其中几种。
1. 接触式光栅传感器接触式光栅传感器是一种直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于需要直接接触物体，因此接触式光栅传感器通常使用在需要高精度测量的应用中，如机床加工、自动化生产线等领域。
2. 非接触式光栅传感器非接触式光栅传感器是一种不需要直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射或透过物体后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于不需要直接接触物体，因此非接触式光栅传感器通常使用在需要远距离、高速度测量的应用中，如机器人运动控制、航空航天等领域。
3. 绝对编码器绝对编码器是一种可以直接读取物体位置的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置信息。
由于可以直接读取物体位置，因此绝对编码器通常使用在需要高精度位置控制的应用中，如半导体设备、医疗设备等领域。
4. 增量编码器增量编码器是一种可以直接读取物体运动信息的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的运动信息。
由于可以直接读取物体运动信息，因此增量编码器通常使用在需要高速度控制的应用中，如电机控制、机器人运动控制等领域。
5. 二维光栅传感器二维光栅传感器是一种可以同时测量物体位置和形状的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个二维光栅来进行测量，二维光栅上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置和形状信息。
由于可以同时测量物体位置和形状，因此二维光栅传感器通常使用在需要高精度形状控制的应用中，如汽车制造、航空制造等领域。
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光栅传感器
2）辨向原理与辨向电路
为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差 的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个 莫尔条纹信号相差90°相位。 实现的方法是在相隔B／4条纹间隔的位置上安 装两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮 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运动方向。这种区别运动 方向的方法称为位置细分辨向原理。
2013-12-24
光栅传感器
光栅传感器的组成
1－光源；2－聚光镜；3－光栅主尺；4－指示光栅； 5－光敏元件；6－莫尔条纹；7－光强分布
2013-12-24
光栅传感器
光栅传感器的组成
组成：光源、透镜、光栅、光敏元件
光源：白炽灯或其它发光元件； 透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；
光栅传感器
缝隙宽度 栅距角 栅线宽度
栅距
2013-12-24
光栅传感器
圆光栅分类： 根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：
径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅: 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; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成.
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光栅传感器
例: 光 栅 式 万 能 测 长 仪
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光敏元件：输出电压信号；
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光栅传感器
构成：主光栅 --- 标尺光栅，定光栅；指示光栅 --- 动光栅 长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
2013-12-24
光栅传感器
3.莫尔条纹
1).莫尔条纹的形成及其特征
三、辨向原理及辨向电路
1）辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在 一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条 纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发 生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动 的方向，也不能正确测量出有往复移动时位 移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向 电路。
2013-12-24
光栅传感器
莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数， 则：
B 1 B k W
结论： θ越小, k越大，B越大。 例如：θ=0.1°， W=0.02mm时 θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad 则：B=11.4592mm。
W
2013-12-24
光栅传感器
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x B i
W
x/i
光栅传感器
③ 误差的平均效应
光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 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。 能在很大程度上消除短周期误差的影响。
2013-12-24
光栅传感器
2013-12-24
光栅传感器
2、分类
• 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，也称为光栅尺， 刻线相互平行；用于测量长度或线位移
2013-12-24
光栅传感器 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
a w
b
(b) 圆光栅
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• AB与CD两个狭缝在结构上相差π／2,所以它们 在光电元件上取得的信号必是相差π／2。
• AB为主信号,CD为门控信号。
–当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产 生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运 算； –当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只 让AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计数器中作 减法运算。
2013-12-24
光栅传感器
长光栅横向莫尔条纹
2013-12-24
光栅传感器
横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角θ 很小，条 纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。 纵向莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0，且两光栅栅距不 等时产生的莫尔条纹。 光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0, 且两光栅栅距相 等时产生的莫尔条纹。
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光栅传感器
M2 莫尔条纹
C
D
图7.5 辨向原理
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B 4 B
M1
A
B
光栅传感器
1、2－光电元件；3－指示光栅；4－莫尔条纹； A－光栅移动方向；B－莫尔条纹移动方向；
U1－元件AB对应的输出电压；
U2－元件CD对应的输出电压；
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光栅传感器
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光栅传感器 横向莫尔条纹
光闸莫尔条纹
纵向莫尔条纹
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光栅传感器
2) 莫尔条纹的特征 ①、位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ 的关系为： w
B
w 2sin
2
W
a
a b a b
a b a b a
B
B
w 2 1
2013-12-24
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光栅传感器
相距B/4放置四个光电元件
2013-12-24
光栅传感器
光栅传感器的应用
由于光栅传感器测量精度高、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 数字化，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测量元件应用于机床定 位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、 加速度、振动等。
②、运动对应关系 当两光栅沿与栅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（两者运动方向相互垂 直），光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。 光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；
（莫尔条纹移动的条纹数与光栅移过的刻线数相等）
光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。 当移动的刻线数i和角度θ一定时，莫尔条纹间距B 与移动距离x成正比，即：201来自-12-24光栅传感器
莫尔条纹细分技术
• 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。
2013-12-24
光栅传感器
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：四倍频细分和电桥细 分等。
光栅传感器
光栅基础
1.光栅的结构
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 光与不透光相间排列的光电器件。
栅线——光栅上的刻线，宽度a 缝隙宽度b
栅距w=a+b（也称光栅常数）
2013-12-24
光栅传感器
2、分类
• 按原理和用途：物理光栅和计量光栅
当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的 夹角θ时, 光源照射光栅尺，两块光栅刻线的重 合处，光从缝隙通过，形成亮带，而在刻线彼 此错开处，由于相互挡光作用形成暗带。在与 光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间 的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹”。
2013-12-24
光栅传感器
莫尔条纹演示
–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、振动等几何量的测量。
2013-12-24
光栅传感器
2、分类
• 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
–反射式光栅：刻划基面采用金属材料 • 按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光 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。
2013-12-24
光栅传感器
四倍频细分
方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电 元件，得到四个相差依次为π/2的电压信号；或在 相差B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差 π/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四 个依次相差π/2的电压信号。 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（减计数脉冲）。
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
2013-12-24
光栅传感器
(a) 径向光栅
(b) 切向光栅
(c) 环形光栅
2013-12-24
光栅传感器
光栅传感器的工作原理
工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅 的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光电元件 把这种光强信号变为周期性变化的电信号，由电信 号的变化即可获得光栅的相对移动量。 特点： 数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换成数字 量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力 强,稳定性强;易于微机接口,便于信号处理和实现自 动化测量。