第7章光栅传感器
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。
光栅传感器的工作原理和应用
光栅传感器的工作原理和应用工作原理光栅传感器是一种利用光栅原理进行测量的传感器。
它通过测量光线通过光栅时的衍射或干涉效应来获取目标物体的信息。
光栅传感器通常由光源、光栅、检测器和信号处理器等组成。
光源光源是光栅传感器的关键组成部分，它会产生一束光线。
常用的光源包括激光器、LED等。
光源发出的光线会经过光栅的作用。
光栅光栅是光栅传感器的核心部件，它是由一定规律排列的透明或不透明条纹组成的。
光线经过光栅时，会发生衍射或干涉现象，这种现象可以被用来实现测量。
检测器检测器是用来捕捉经过光栅后的光线并将其转化为电信号的部件。
常用的检测器包括光电二极管、光敏电阻等。
检测器会将光线的强度、波长等信息转化为电信号。
信号处理器信号处理器用于分析和处理检测器输出的电信号。
它可以对信号进行放大、滤波、数学运算等操作，最终得到目标物体的相关信息。
信号处理器可以是专用的芯片，也可以是嵌入式系统或计算机。
应用光栅传感器具有很广泛的应用领域，以下列举了几个常见的应用场景：1.位移测量：光栅传感器可以用来测量物体的位移，例如工件的位置、机械零件的运动距离等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的位移信息。
2.角度测量：光栅传感器可以用来测量物体的旋转角度，例如地平仪、陀螺仪等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的角度信息。
3.表面形貌测量：光栅传感器可以用来测量物体的表面形貌，例如薄膜的厚度、曲率等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体表面的形貌信息。
4.速度测量：光栅传感器可以用来测量物体的速度，例如车辆的速度、机械零件的转速等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的速度信息。
5.压力测量：光栅传感器可以用来测量物体的压力，例如材料的拉伸、压缩等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的压力信息。
以上仅是光栅传感器的一些常见应用场景，实际上光栅传感器的应用还可以延伸到更多领域。
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。
光栅传感器工作原理
光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，常用于测量物体的位置、速度、位移等参数。
其工作原理如下：
光源发射：光栅传感器中包含一个光源，通常是一种发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。
光源发射出一束光线。
光栅结构：光栅传感器中还包含一个光栅结构，通常是一个具有精密刻线的光学元件。
光栅结构可以是一个透明的光栅条或一个具有精细线条的光栅板。
光线与光栅的交互作用：发出的光线通过光栅结构，当光线与光栅的线条相交时，会发生衍射现象。
衍射使得光线发生弯曲、分散或产生干涉等变化。
接收器接收光信号：光栅传感器还包含一个接收器，用于接收经过光栅结构后的光信号。
接收器可以是光敏电阻、光电二极管或光电二极管阵列等。
信号处理与解读：接收到的光信号经过信号处理电路进行放大、滤波和解码等处理，将光信号转换为数字信号。
参数测量：根据光栅的特定结构和测量需求，通过测量光信号的强度、频率、相位差等参数，可以确定物体的位置、速度、位移等。
光栅传感器利用光线经过光栅结构产生的衍射现象，通过接收和处理光信号，实现对物体位置、速度和位移等参数的测量。
不同类型的光栅传感器具有不同的结构和工作原理，例如位移光栅传感器、光栅编码器等，但都基于光栅结构和光信号的相互作用实现测量功能。
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。
光栅传感器电路的原理分析
光栅传感器电路的原理分析
光栅传感器电路的原理是利用光学原理将光信号转化为电信号。
光栅传感器由一个光源、一个透光装置和一个光敏元件组成。
光源产生的光线经过透光装置聚焦成光束，穿过光栅后到达光敏元件上。
光栅是由若干等距的障碍物和通道组成的，当光束穿过光栅时会发生衍射现象。
因此，当光栅传感器检测到物体移动时，光束会经过不同的障碍物和通道，从光敏元件上接收到不同的光信号。
光敏元件是一种可以将光信号转换为电信号的器件，包括光电二极管、光电导和光电晶体管等。
当光束射到光敏元件上时，它会通过光电效应将光能转化为电能，从而产生电流或电压信号。
电路会将这些信号放大，转换为数字信号，并通过计算机程序进行处理，最终确定物体的位置、速度和方向等参数。
因此，光栅传感器电路的原理是将光信号转化为电信号，并通过计算机程序进行处理以获得物体的相关参数。
光栅式传感器ppt课件
一、光栅的类型和结构
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种 脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机 床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以 及精密测量方面，测量精度可达几微米。只要 能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、 振动、变形等，均可测量。
安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
防护罩内为直线光栅
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
五、细分技术
当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进 行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测 量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻 线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经 过信号调节环节对信号进行细分.
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。如图5-54所示。
❖ 优点：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。
❖ 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
由于光栅的遮光作用，透过光栅
的光强随莫尔条纹的移动而变化，
变化规律接近于一直流信号和一交
流信号的叠加。固定在指示光栅一
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
光栅传感器的原理
光栅传感器的原理光栅传感器是一种常用于测量位置、速度、加速度等物理量的传感器。
它通过利用光线的衍射和干涉现象，将物理量转换为光信号，并通过光电转换器将其转化为电信号，最终达到测量和检测的目的。
下面将详细介绍光栅传感器的原理及其工作过程。
光栅传感器的构成主要包括光源、光栅、光电转换器以及信号处理器。
光源通常是一种高亮度的光源，如激光器或发光二极管，它发出的光束经过透镜或反射偏转器件后形成一条狭窄的射线。
光栅是光学栅片，它是一种由等间距的透光和不透光线条组成的平面透镜。
它的作用是将光束分成多个等间距的小光斑。
光电转换器是将光信号转化为电信号的设备，常用的光电转换器有光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
信号处理器是对光电转换器输出的电信号进行放大和处理的部件，用于提取和分析所需的信息。
光栅传感器的工作原理基于光的衍射和干涉效应。
当光束照射到光栅上时，由于光栅的周期性结构，光将通过光栅的透光和不透光部分发生衍射和干涉现象。
在衍射中，光线通过光栅时会在光栅各个透光部分之间发生干涉，形成一系列更亮或更暗的衍射条纹。
在干涉中，光线通过不同透光部分的光程差会造成相位差，当相位差满足一定条件时，会发生干涉现象。
1.位置测量原理：在位置测量中，光栅传感器通过测量光栅上衍射条纹的位置来确定物体相对于传感器的位置。
当物体沿着传感器光线方向移动时，光栅上的衍射条纹会相应地发生移动。
通过测量衍射条纹的位置，就可以计算出物体的位置。
位置测量的精度主要取决于光栅的周期和衍射条纹的分辨率。
2.速度测量原理：在速度测量中，光栅传感器通过测量光栅上衍射条纹的速度来确定物体的速度。
当物体沿着传感器光线方向移动时，衍射条纹随之移动。
通过测量衍射条纹的速度，就可以计算出物体的速度。
速度测量的精度主要取决于光栅的周期和衍射条纹的频率。
除了位置和速度测量外，光栅传感器还可以用于加速度和位移等物理量的测量。
在加速度测量中，通过测量衍射条纹的加速度来确定物体的加速度。
光栅传感器原理及应用
光栅传感器原理及应用《光栅传感器原理及应用》我记得有一次陪朋友去逛一个大型的科技馆。
科技馆里人来人往，到处都是新奇的展品，人们的脸上洋溢着好奇和兴奋的神情。
我的朋友是个科技迷，每到一个展品前都会驻足研究很久。
当我们走到一个展示精密仪器测量的区域时，看到了一个奇怪的装置，上面有一些条纹状的东西。
旁边有个讲解员正在给一群小朋友讲解这个装置，我和朋友也凑了过去。
讲解员是个年轻的小伙子，他热情地对小朋友们说：“小朋友们呀，你们看这个装置，它里面可是有个很厉害的东西叫光栅传感器呢。
你们可以把这个光栅传感器想象成一个超级敏锐的小眼睛，它呀，能看到很多我们看不到的东西。
”小朋友们都睁大眼睛，一脸疑惑。
我心里也在想，这光栅传感器到底是什么神奇的东西呢？讲解员似乎看出了我们的心思，他笑着说：“那我给大家讲讲它的原理吧。
其实呢，光栅传感器就像是一把特制的尺子，不过这把尺子可不像我们平时用的尺子那么简单。
它是由很多等间距的透光和不透光的条纹组成的，就像我们排队一样，一个透光的，一个不透光的，整整齐齐地排列着。
当光线照在这个光栅上的时候啊，就会发生一些奇妙的现象。
”讲解员一边说，一边用手比划着，他的眼睛里闪烁着光芒。
“如果这个光栅动了一点点，就像我们走了一小步一样，光线透过光栅的情况就会发生变化。
这时候呢，就会产生一种像水波一样的东西，我们叫它莫尔条纹。
这个莫尔条纹啊，就像是光栅传感器的秘密信号。
光栅每移动一点，莫尔条纹就会移动很多，就像放大镜一样，把光栅的微小移动放大了很多很多倍呢。
这样我们就可以很容易地检测到光栅的移动啦。
”我忍不住问：“那这个有什么用呢？”讲解员看了我一眼，说：“这用处可大了去了。
比如说在工厂里，那些大型的机器设备，要精确控制它们的位置和运动，就靠这个光栅传感器呢。
它就像一个忠诚的小卫士，时刻盯着机器部件的移动，保证机器准确无误地工作。
要是没有它呀，那些生产出来的东西可能就会有偏差，就像我们画画，如果没有直尺帮忙，线条就画不直一样。
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
数字式传感器及应用—光栅传感器(传感技术课件)
前、后的分辨力 。
解：分辨力 =W /4 =(1mm/50)÷4
=0.02mm ÷4 =0.005mm=5m
结论：在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，采用细分技术，将
分辨力提高了3倍（数值变小）。
光栅传感器的应用
数控机床位置控制框图
7－零位光敏元件（放大图见后页）
放
大
图
1－光源 2－透镜 3－指示光栅 4－主光栅(标尺光栅)
5－零位光栅 6－细分辨向用光敏元件（2路或4路）
7－零位光敏元件
透射式光栅
光栅传感器
光栅数字传感器
光栅数字传感器主要由标尺光栅、
指示光栅、光路系统和光电元件等
组成。
光栅数字传感器是干什么的？
主要用于线位移和角位移的测量。
n倍, 因此也称之为n倍频。
脉冲细分
细分前 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格
的情况下提高光栅的分辨力。
细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的
大小。
细分后
采用4细分技术后，计数脉冲的频率提
高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高
了3倍，较大地提高了测量准确度。
光栅细分举例
例：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采用4细分技术，求：细分
目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、
W
透射光栅示意图
100、250条线条。
光栅数字传感器的原理：莫尔条纹
指 示 光
栅
标尺光栅
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相
对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线
保持很小的夹角θ。在两条光栅的透光线的重合处，光
从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，由
光栅传感器的基本原理
光栅传感器的基本原理
光栅传感器是一种使用光栅原理进行测量的传感器。
它通过射入光线并检测光线的衍射或干涉来测量物体的位置、形状和运动。
光栅传感器的基本原理如下：
1. 光栅：光栅是一种具有规则排列的透明或不透明线条或棱镜。
它可以将光线分离成多个平行的光束。
2. 光源：光源向光栅投射光线。
3. 接收器：接收器接收光线经过光栅后的衍射或干涉信号。
4. 衍射或干涉：光线经过光栅后，由于光线的不同角度和路径会产生衍射或干涉现象。
这些现象可测量并转换为电信号。
5. 信号处理：接收器将接收到的光信号转换为电信号，并进行信号处理，例如滤波、放大和数字化。
6. 测量：通过分析信号处理后的电信号，可以确定物体的位置、形状和运动。
光栅传感器的精度取决于光栅的参数，例如线数、线宽和线间距。
通常，线数越
多，精度越高。
光栅传感器广泛应用于自动化控制、机器人导航、医疗设备和光学测量等领域。
传感器 第7章 光栅传感器
第7章光栅传感器•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0.5μm——3μm/3000mm；测量角度精度最高可达0.15”）、分辨率高(可达0.05μm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。
光栅传感器的工作原理
光栅传感器的工作原理
首先，光源发出光线，光线经过光栅时会发生衍射现象，形成一系列的光斑。
光栅通常是由许多平行的光栅线构成，光栅线的间距决定了光栅传感器的分辨率。
当有物体进入光栅传感器的检测范围时，物体会遮挡光线，导致光斑的变化。
其次，接收器接收到经过光栅的光线，根据光线的变化情况产生相应的电信号。
光栅传感器的接收器通常采用光电二极管或光敏电阻等光电元件，能够将光信号转化为电信号。
然后，信号处理电路对接收到的电信号进行放大、滤波和数字化处理，最终将
处理后的信号输出给控制系统。
信号处理电路的设计能够有效提高光栅传感器的抗干扰能力和稳定性，使其在复杂环境下能够准确可靠地工作。
最后，控制系统根据接收到的信号判断物体的位置、速度、形状等信息，并进
行相应的控制和处理。
光栅传感器广泛应用于工业自动化、机器人、测量仪器等领域，能够实现对物体的高精度检测和测量。
总之，光栅传感器通过光源、光栅、接收器和信号处理电路四个部分的协同作用，能够实现对物体的高精度检测和测量。
它具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等特点，是现代工业自动化和智能制造中不可或缺的重要传感器之一。
希望本文对光栅传感器的工作原理有所帮助，谢谢阅读！。
光栅传感器工作原理
一、光栅传感器的基本原理光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，多用于位移测量及与位移相关的物理量，如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面的测量。
光栅传感器的基本结构如图1所示：图1 光栅传感器的基本结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成如图1所示，当标尺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，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。
光栅传感器光源：钨丝灯泡的输出功率较大，工作范围较宽为-40℃到+130℃，但是它与光电元件相组合的转换效率低。
在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。
因此必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。
半导体发光器件转换效率高，响应快速。
如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。
砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。
光栅副：如图2所示为透射光栅，它是一个长光栅，在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则的明暗线条。
图中a为刻线宽度，b为可惜案件的缝隙宽度，a+b=W 称为光栅的栅距或光栅常数。
通常情况下，a=b=W/2，也可以做成a:b=1.1:0.9,刻线密度一般为每毫米10,25,50,100线。
图2 透射光栅指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。
光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。
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。
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。
二、莫尔条纹形成的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，如图3所示。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章
②、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性
光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔； 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：
BW x/i x
i
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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。
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
7.2 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。
2020/1/10
传感器原理及应用
第光七闸章莫尔条纹光电转换原理
2020/1/10
理想情况： 三角形
传感器原理及应用
第七章
二、光闸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,电信号则变化了一个周期。光电元件输出
波形为：
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
(a) 径向光栅
(b) 切向光栅
(c) 环形光栅
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
3.莫尔条纹
1).莫尔条纹的形成及其特征
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，由于挡光效应，两块 光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错 开处形成亮带。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”
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章 横向莫尔条纹 光闸莫尔条纹
2020/1/10
纵向莫尔条纹
传感器原理及应用
第七章
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
2 sin
W
a b a
2
b
a
21
2020/1/10
a
b
B
a
B
b
a w
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
莫尔条纹演示
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
长光栅横向莫尔条纹
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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。
传感器原理及应用
第七章
2、分类
• 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、振动等几何量的测量。
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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
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。
2020/1/10
传感器原理及应用Leabharlann 第七章一、光电转换原理
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
传感器原理及应用
第七章
莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数， 则：
BWk B1
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。
2020/1/10
传感器原理及应用
• 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。
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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
放大
w ab
放大
a b w
(a) 长 光 栅 2020/1/10
(b) 圆 光 栅
传感器原理及应用
第七章 栅距角
2020/1/10
缝隙宽度 栅线宽度 栅距
传感器原理及应用
第七章
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.
第七章
传感器原理及应用
第七章 光栅传感器
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
7.1 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）
2020/1/10
U U 0 U m s in ( 2 W x ) U 0 U m s in,( 2 W x )
直流分量
交流分量
光栅相对 位移量
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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。 因此,只要能记录 移动过的莫尔条纹 数N,就可以知道光 栅的位移量x值。 这就是利用光闸莫 尔条纹测量位移的 原理。
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章
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 )
2020/1/10
传感器原理及应用
第七章 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.