chapter6数字传感器-光栅
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
6.2 传感器技术-光栅式传感器
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
6.2 光栅式数字传感器
大量程纳米级分辨率光栅位移传感器
细分及显示 装置
正余弦 电信号
d
激光器
光电探测器
干涉条 纹信号
光学系统
利用单根大长度计量 光栅，合理选取光束 入射角，借助光栅的 两束高级次衍射光形 成莫尔干涉条纹，进 而构成具有高光学倍 频数的光路系统
6.2 光栅式数字传感器
6-2-1 某光栅每毫米刻线数为100线，主光栅和指示光栅之间
的夹角 =1.8°，采用4倍细分技术，请计算栅距、分
辨力和莫尔条纹宽度。
6-2-2 若光栅某一刻线的加工误差0为0.1mm，线数n为500
，求由它所引起的光栅测量系统的整体误差。 6-2-3 某光栅的栅线密度是为50线/mm，主光栅和指示光栅
u2
u1 O
u1 O
u1w O
u2
O
u1w
O
Y1
Y2 O HO
O
放大 整形
放大 整形
6.2.3 鉴向技术
x
u'1 u1
uu'11Ww
微
分
Y1
x
x
x
x u'2
u2
1
触 Q发 器
可逆计 数器
2
Q+
x
反 u"1 微
x 相 u1 分 uu"11wW Y2
x
x
≥1
H延 时
6.2 光栅式数字传感器
6.2.3 鉴向技术
6.2 光栅式数字传感器
光栅传感器的工作原理
光栅传感器的工作原理
光栅传感器是一种通过感知光强变化来检测物体位置的传感器。
它由发光单元和接收单元组成。
光栅传感器的工作原理是：发光单元发出光束，该光束经过光栅结构后，在空间中形成了一个光栅图案。
当有物体经过光栅图案时，物体会对光进行散射、吸收或反射，使得光强发生变化。
这些变化的光经过接收单元收集后，产生电信号。
利用电信号的强弱和变化，可以判断物体的位置、移动速度和方向。
光栅传感器的光栅图案可以是简单的光斑，也可以是更复杂的光点或光线。
其具体形式取决于所使用的光学元件和光源。
在一些应用中，如工业自动化和机械加工，常使用具有高分辨率和稳定性的光点光栅来实现更精确的位置检测。
而在物流仓储等场景中，使用光线光栅可以更好地感知物体的运动方向。
为了提高光栅传感器的灵敏度和可靠性，常常采用两个或多个光栅，并将其安装在不同的位置上。
这样可以通过比较不同位置上的光强变化，减少外界因素对传感器的干扰，并提高传感器的准确度和可靠性。
光栅传感器由于其高精度、快速响应和易于集成等特点，在许多领域得到广泛应用。
比如工业自动化、机器人技术、医疗设备、交通运输等。
通过光栅传感器可以实现准确的位置检测、运动控制和导航等功能，提高生产效率和质量，减少人工操作和错误。
光栅传感器ppt
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光栅测量 原理
光栅莫尔条纹的形成
莫尔条纹演示
应用
应用
透射式光栅
透射式圆光栅
反射式光栅
摩尔条纹的移动方向
光栅 传感器的组成
1.光栅读数头
围，指示光栅相对光电元件固定
1——光源 2——透镜 3——标尺光栅 4——指示光栅 5——光电元表
字显示电路等组成。
原理图
光栅结构
在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗
相间、等间距分布的细条纹（又称为刻
线），这就是光栅如图是透射光栅的示 意图，图中a为栅线的宽度（不透光） ，b为栅线间宽（透光）a+b=W称为光 栅的栅距（也称为光栅常数），通常 a=b=W/2,也可刻成a:b=1.1:0.9,目前常用 的光栅每毫米刻成10、25、50、100、 250条线条。
题 目：光栅传感器的原理及应用 作者姓名：李江军
光栅
原理
应用
原理
• 光栅式传感器具有测量精度高、动态测量范围广、可进行无接 触测量且易实现系统的自动化和数字化等优点，因而在机械工业中 得到了广泛的应用。特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工 作母机的坐标测量等方面，光栅传感器都起着重要作用。 • 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、加速度和振动等。 • 如下图所示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＝0.01mm，指示光栅采用四裂相光栅 ，照明光源采用红外发光二极管TIL-23，其发光光谱为930nm1000nm，接收用LS600光电三极管，两光栅之间的间隙为0.02 mm～ 0.035 mm，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sinθ、cosθ、-sinθ、-cosθ四路原始 信号，以满足辨向和消除共模电压的需要。 由光栅传感器获得的四 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、辨向电路辨向进入可逆计数器计数，由显示器显示 读出。
光栅传感器的结构及工作原理
光栅传感器的结构及工作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。
光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。
一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。
精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。
这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。
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。
光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。
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。
光栅传感器的结构及工作原理光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个主要部分构成。
1、光源：钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件组合使用时，转换效率低，使用寿命短。
半导体发光器件，如砷化镓发光二极管，可以在范围内工作，所发光的峰值波长为，与硅光敏三极管的峰值波长接近，因此，有很高的转换效率，也有较快的响应速度。
2、光栅付：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。
主光栅和指示光栅相互重叠，但又不完全重合。
两者栅线间会错开一个很小的夹角，以便于得到莫尔条纹。
一般主光栅是活动的，它可以单独地移动，也可以随被测物体而移动，其长度取决于测量范围。
指示光栅相对于光电器件而固定。
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
光栅传感器实验报告
一、实验目的1. 理解光栅传感器的工作原理和结构特点；2. 掌握光栅传感器的安装和调试方法；3. 学习光栅传感器的应用及数据处理方法；4. 了解光栅传感器在实际工程中的应用前景。
二、实验原理光栅传感器是利用光栅原理，通过光电转换将光栅位移量转化为电信号输出的一种传感器。
光栅传感器主要由光源、光栅、光电元件、信号处理电路等组成。
当光栅相对于光电元件移动时，产生周期性的光强变化，从而产生电信号输出。
三、实验仪器与设备1. 光栅传感器实验装置；2. 光源（LED或激光）；3. 光电元件（光敏电阻、光敏二极管等）；4. 信号采集板；5. 计算机；6. 测量仪器（如千分尺、游标卡尺等）。
四、实验步骤1. 熟悉实验装置，了解光栅传感器的基本结构和工作原理；2. 搭建实验电路，连接光源、光栅、光电元件和信号采集板；3. 调整光源，确保光束照射到光栅上；4. 调整光电元件，使其能够接收光栅产生的电信号；5. 通过信号采集板将电信号传输至计算机，进行数据处理；6. 利用测量仪器测量光栅位移量，并与电信号进行对比分析；7. 改变光栅与光电元件之间的距离，观察电信号的变化，分析光栅传感器的灵敏度；8. 将实验数据整理成表格，绘制曲线图，分析光栅传感器的特性。
五、实验结果与分析1. 光栅传感器的基本结构和工作原理符合预期；2. 实验电路搭建成功，光栅、光源、光电元件和信号采集板连接正常；3. 通过调整光源和光电元件，能够接收到光栅产生的电信号；4. 实验数据表明，光栅传感器的电信号与光栅位移量之间存在良好的线性关系；5. 改变光栅与光电元件之间的距离，电信号的变化符合光栅传感器的灵敏度特性；6. 光栅传感器的实验结果与理论分析基本一致。
六、实验结论1. 光栅传感器是一种具有较高精度和灵敏度的位移传感器，在工业自动化领域具有广泛的应用前景；2. 通过实验，掌握了光栅传感器的安装、调试和数据处理方法；3. 实验结果验证了光栅传感器在实际工程中的应用可行性。
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。
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
光栅传感器工作原理
光栅传感器工作原理
1.光源发出光线：光源是光栅传感器的关键部分，它可以是一种特殊
的LED或激光器。
光源通过发出光线提供光能量。
2.光栅：光栅是传感器中的另一个重要元件，它是一个具有周期性结
构的光透过物。
光栅通常由一系列平行的凹槽或凸起组成，这些凹槽或凸
起的间距是非常小的，一般为几微米。
光线经过光栅时，会发生衍射现象。
3. 光敏元件：光敏元件是光栅传感器的另一个关键部分，它可以是
光电二极管（Photodiode）、光电晶体管（Phototransistor）或光敏电
阻（Photoresistor）。
光敏元件的一端与光源相对，另一端与光栅相对。
光栅传感器中的光敏元件根据光线的强度和位置变化输出相应的电信号。
4.信号处理电路：光敏元件输出的电信号会经过信号处理电路进行放
大和过滤处理，并将处理后的信号转换为可用的测量结果，例如从光强度
读取位置或其他指标。
信号处理电路能够提高传感器的灵敏度和精度。
在使用光栅传感器时，光线会通过光栅的凹槽或凸起进行衍射，不同
的光栅结构会产生不同的衍射图案。
当光敏元件接收到被衍射后的光线时，光强度和位置会影响到光敏元件的电信号输出。
根据这些输出信号，可以
测量光线的位置、变化和强度。
总结起来，光栅传感器通过光的衍射效应实现对光强度和位置变化的
测量。
光源发出光线，光线经过光栅衍射后，被光敏元件接收并转化为电
信号，再通过信号处理电路处理，最后得到测量结果。
光栅传感器具有精
度高、灵敏度高和稳定性好等优点，被广泛应用于各种测量和检测的场合。
光栅传感器的一般电路及原理
光栅传感器的一般电路及原理光栅传感器的一般电路主要包括光源、光栅、光敏元件和处理电路。
光源通常使用激光二极管或发光二极管，其作用是提供足够的光能量，使光能够照射到光栅上。
光栅是光栅传感器的核心部件，它可以是光栅刻度盘、光栅条或光栅电子栅片等。
光敏元件通常是光电二极管、光敏电阻或光敏三极管等，其作用是感受到经过光栅反射、衍射或折射的光，并产生相应的电信号。
处理电路对光敏元件产生的电信号进行放大、滤波和转换等处理，从而得到准确的测量结果。
1.光栅制作原理：光栅是通过在一片光透明介质上刻制一系列周期性的凹槽或透明条纹形成的。
光栅的周期性结构使得光通过光栅时可以产生衍射或折射现象。
2.光栅工作原理：当光射入光栅时，会根据光栅的结构和材料来发生反射、衍射或折射现象。
通过测量光的反射、衍射或折射角度的变化，可以获得物体的运动或位置信息。
3.光敏元件工作原理：光射到光敏元件上时，会引起光敏元件内部光生载流子的产生和运动，从而产生电信号。
光敏元件的特性如灵敏度、响应速度和波长选择性等，会影响到光栅传感器的性能和应用范围。
4.处理电路工作原理：光敏元件产生的微弱电信号需要经过处理电路进行放大、滤波和转换等处理。
处理电路通常包括放大器、滤波器和模数转换器等电路，它们的功能是将微弱的光敏元件信号转化为可信号处理和输出的电信号。
在实际应用中，光栅传感器的电路和原理可能会有所不同，具体的设计取决于光栅传感器的应用需求和性能指标。
例如，在光栅刻度盘应用中，光栅传感器的电路可以包括多个光敏二极管或光敏电阻，以实现高精度的位置测量。
在光栅编码器应用中，可以使用数字信号处理器进行数据处理和抗干扰处理，以提高光栅传感器的稳定性和抗干扰能力。
综上所述，光栅传感器的一般电路及原理主要包括光源、光栅、光敏元件和处理电路。
通过使用光源照射光栅并感受反射、衍射或折射的光，光栅传感器可以测量物体的运动或位置。
处理电路对光敏元件产生的微弱电信号进行放大、滤波和转换等处理，最终得到准确的测量结果。
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。
光栅式传感器辩向.ppt
2U m
sin
2x
W
u2
ud
ue
2U m
c os
2x
W
辩向原理图
辨 向 波
形 图
细分电路
为什么要使用细分电路 光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅
距。但是在精密仪器中需要测量更精密的 的位移。 提高精确度的方法： 1 增加刻线密度减小栅距 2 采用细分技术，如直接细分，电桥细分 ，锁相细分，调制信号细分，软件细分等
m
s
in
2x
W
ue
U0
Um
sin
2x
W
3
2
U0
Um
c os
2x
W
去直流处理
由于公式里含有直流信号，不方便信号的 处理分析，所以要去掉直流信号。
由公式可知两两对应相减，即可消除信号 中的直流电平。
得到：
u1 ua
ud
光栅式传感器应用
主要应用在精密测量长度，角位移中。此 外还应用在测量振动，速度，应力应变等 机械测量中。
光学编码器
定义：它是一种绝对码测量系统，即显示的 位置数值与编码器的位置一一对应。它是 位置的对应而不是累加脉冲的结果，所以 掉电也不会有影响。 编码器的分类： 1 直线型（码尺） 2 选转型（码盘）
长光栅莫尔条纹的周期为：
其中 ：标尺光栅也称主光栅1的光栅常数；
：指示光栅2的光栅常数；
：两光栅的夹角；
莫尔条纹重要的性质
1.运动的对应关系 当主光栅向右边运动一个栅距时，莫尔条纹向下
光栅传感器工作原理
黑白光栅（幅值光栅）
闪耀光栅（相位光栅）
THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 长光栅 --- 直线位移 圆光栅 --- 角位移 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 )
数字信号检测系统的组成
光栅数字式传感器
机电一体化技术
光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻
线均匀、相间排列而成的光电器件。
透 射 式 20线-150线/mm 反 射 式
W W
25线-50线/mm
W 为光栅常数，也称光栅栅距。
THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY
P 18 P 54 P 90 P 126 P 162
得到五细分（倍频）后的 PX ，P Y 正交方波。
THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY
光栅传感器的测量电路
五细分电路实现：
机电一体化技术
光栅传感器的测量电路
信号放大
机电一体化技术
R1
C1
－1 C1 ＋
R
uo uo
sin x
R2
uR R2 uR
－ C ＋ 2
C2
cos x
可得到相位差分别为 0 ， ， 的正弦信号 2
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。
光纤光栅传感器原理课件
光纤光栅传感器的传感原理
外界物理量变化
当光纤光栅受到外界物理量（如 温度、压力、应变等）的作用时 ，其折射率调制周期或纤芯长度
会发生变化。
反射波长漂移
由于光纤光栅的反射波长与光栅周 期相关，当折射率调制周期或纤芯 长度发生变化时，反射波长也会发 生相应的漂移。
03
CATALOGUE
光纤光栅传感器的制作与表征
光纤光栅的制作技术
光纤光栅的写入技术
01
利用紫外光干涉法，通过两束相干紫外光在光纤上形成干涉条
纹，引起光纤折射率周期性变化，从而形成光纤光栅。
光纤光栅的制作材料
02
通常使用石英光纤或掺铒光纤作为基材，其线性和稳定性较好
，能够满足光栅传感器的要求。
制作过程中的关键因素
通过测量由应力引起的光栅周期或折射率 的变化，可以推导出待测物体内部的应力 分布和大小。
结构健康监测
生物医学领域
光纤光栅传感器可以嵌入到建筑物、桥梁 等结构中，实时监测结构的变形、开裂等 状况，确保结构安全。
利用光纤光栅传感器可实现对生物组织内 部的温度、压力等参数的实时监测，为生 物医学研究提供有力支持。
测量反射波长变化
通过测量光纤光栅反射波长的变化 ，可以推断出外界物理量的变化情 况，实现对相应物理量的传感测量 。
光纤光栅传感器的信号解调原理
光谱仪解调
利用光谱仪对光纤光栅的反射光谱进行检测，通过测量反射波长的漂移量来解调出外界物 理量的变化。这种方法具有高精度和高分辨率的优点，但设备成本较高。
可调谐滤波器解调
交叉敏感问题
在实际应用中，光纤光栅传感器可能受到多种物理量的交叉影响， 导致测量准确度降低。
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。
数字式传感器的工作原理
数字式传感器的工作原理数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。
下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数字式传感器的工作原理。
1、光栅位移传感器光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。
它的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图1所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。
把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图2所示。
图1 光栅测量原理图2 莫尔条纹示意光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度，P表示栅距，表示光栅条纹间的夹角，则有（1）若P＝0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成l0mm，则放大倍数相当于1000倍，即利用光的干涉现象把光栅间距放大1 000倍，因而大大减轻了电子线路的负担。
光栅可分透射和反射光栅两种。
透射光栅的线条刻制在透明的光学玻璃上，反射光栅的线条刻制在具有强反射能力的金属板上，一般用不锈钢。
光栅测量系统的基本构成如图3所示。
光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号可以用光电元件接受，图3中的a，b，c，d是四块光电池，产生的信号，相位彼此差900，对这些信号进行适当的处理后，即可变成光栅位移量的测量脉冲。
图3 光栅测量系统2、感应同步器感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。
直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。
定尺较长（200mm以上，可根据测量行程的长度选择不同规格长度），上面刻有均匀节距的绕组；滑尺表面刻有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，见图4。
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6.2.4 辨向原理
• 主光栅反向移动时，莫尔条纹下移动，这时光电元件2的 输出电压波形如图（b）中曲线所示。光电元件1的输出电 压波形如U1曲线所示，显然U2超前U190°相角。与正向移 动时情况相反。整形放大后的U2’仍超前U1’ 90°。
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。
• 光栅副是光栅传感器的核3心. 光部分栅。 副
• 在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。 • 透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形
成规则排列的明暗线条，如图3所示。
图3 黑白透射光栅示意图 (a)主光栅 (b)指示光栅
• 光源1发出的光，经准直透镜2形成平行光束．垂直投射到 光栅上，由主光栅3和指示光栅斗形成的莫尔条纹光信号 由光电元件5接收。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。
• 光路特点是结构简单，位置紧凑，凋整使用声便，目前应 用比较广泛。
2. 反射式光路
6.2.3 光栅的光路
图10 反射式长光栅
6.2.3 光栅的光路
• U1”是U1’反相后得到的方波。 • U1W’和U1W”是U1’和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。 • 由图(b)可见，对于与门Y1，由于U1W’处于高电平时， U2’也
处高电平，因此Y1有输出；对于与门Y2，U1W”处于高电平， U2’处于低电平，因此与门Y2没有信号输出。因此加减控制 触发器置0，可逆计数器做减法计数。
• 标尺光栅的有效长度决定了传感器的 有效测量长度和范围。
图1 光栅传感器构成
6.2.1 光栅传感器的结构原理
图2 扫描光栅传感器构成
• 钨丝灯泡 • 发光二极管
1. 光源
1. 光源
• 用钨丝灯泡，它有较大的输出功率，较宽的工作范围为一400ºC130ºC，但是 它与光电元件相组合的转换效率低。
• 在a-a线上两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过， 形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗 带。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，故又称横向莫尔条纹。
1. 莫尔条纹的形成原理
图4 莫尔条纹形成原理
1. 莫尔条纹的形成原理
• 当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，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，并用标尺光栅相对于指示光栅数 字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。
6.2.4 辨向原理
• 完成这种辨向任务的电路就是辨向电路。 • 为了能够辨向，应当在相距的位置上设两个光电元件1和2，以得到两个相位
互差90°的正弦信号，如图所示，然后送到辨向电路中处理，如图所示。
6.2.4 辨向原理
B
4
B
M2
A
B
M1
C
D
莫尔条纹
图11 相距1/4BH的两个光电元件
6.2.4 辨向原理
6.2.5 细分技术
• 如以电压输出，即
uo
Uo
Um
sin
2
2x
W
（6 - 2
• uo——光电元件输出的电压信号；
• Uo——输出信号中的平均直流分量；
图12 辩向电路原理
6.2.4 辨向原理
图13 辩向电路各点波形图
6.2.4 辨向原理
• 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（a）中曲线所示。光电元件1的输出 电压波形如曲线所示，显然U1超前U290°相角。
• U1”是U1’反相后得到的方波。 • U1W’和U1W”是U1’和U1”两个方波经微分电路后得到的波形。 • 由图(a)可见，对于与门Y1，由于U1W’处于高电平时， U2’总
• 电阻式 电位器回应顾变式——位移量测量
• 电感式 差动电感式 差动变压器
• 电容式 变极距式 变面积式 • 电涡流式 电涡流测微移
模拟式感器
• 霍尔器件 霍尔位移传感器
• 量程 几微米 几百毫米 • 精度 0.1% 1.0%
？ 大量程 高精度
• 数字式位移传感器 回顾——位移量测量
– 编码器
• 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。
1. 光源
• 半导体发光器件近年来发展很快，如砷化镓发光二极管可 以在-66ºC 100ºC的温度下工作，发出的光为近似红外光 (9194)，接近硅光敏三极管的敏感波长。
• 虽然砷化镓发光二极管的输出功率比钨丝灯泡低，但是它 是与硅光敏三极管相结合，有很高的转换效率，最高可达 30％左右。
6.2.1 光栅传感器的结构原理
• 按光栅的形状和用途分为： – 长光栅——线位移 • 分辨率0.0010.1μm；测量范围 米。 – 圆光栅——角位移 • 角度分辨率0.01 ″
6.2.1 光栅传感器的结构原理
光栅由光源、透镜、光栅副和光电接收元件组成。
• 光栅副是光栅传感器的主要部分。 – 主光栅(标尺光删) – 指示光栅
– 光栅
脉冲数字式传感器
？ 大量程 高精度
6.2 光栅传感器
• 6.2.1 光栅传感器的结构原理 • 6.2.2 莫尔条纹形成的原理及特点 • 6.2.3 光栅的光路 • 6.2.4 辨向原理 • 6.2.5 细分技术 • 6.2.6 应用
– 长度计 – 数控机床 – 桥梁健康检测系统
6.2 光栅传感器
• 1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬 的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才 能为用户所接受，进入商品市场。
• 光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已 覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。测量 长度从1m、3m达到30m和100m。
传感器原理及实验
Chapter6 数字传感器
6.2 光栅传感器 Grating Sensor
6.2 光栅传感器
• 在一百多年前，人们就开始利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、 测定光波的波长等方面，本世纪50年代，人们利用光栅莫尔条纹现象，把光 栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。
• 物理光栅： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长。 • 计量光栅： 利用光的莫尔条纹现象测量精密位移。
2. 莫尔条纹技术的特点
(2) 位移的放大作用 • 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如
果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹 夹角θ之间的关系为：
BH
W
sin
W
2
（6 - 1）
2. 莫尔条纹技术的特点
(2) 位移的放大作用 • θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。 • 例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于
前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图5看出，两 条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直 到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。
主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件 接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号， 接近于正弦周期函数(如图14所示)。
把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏 度。
(3) 2. 误差的平均效应 莫尔条纹技术的特点
• 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度 上消除短周期误差的影响。
N δ—单个栅距误差；Δ—综合误差；N —栅线数
光路的形式
6.2.3 光栅的光路
• 2. 反射式光路 • 在具有强反射能力的基体(不锈钢或玻璃镀金属膜)上，均匀地刻划间距、宽度
相等的条纹而形成的光栅叫做反射光栅。 • 光源6经聚光镜和场镜3后形成平行光束，以一定角度射向指示光栅2，经反射
主光栅1反射后形成莫尔条纹，再经反射镜4和物镜7在光电电池8上成像。 • 该光路适用于黑白反射光栅。
• 此外砷化镓发光二极管的脉冲响应时间约为几十纳秒，与 光敏三极管组合可得到的响应速度。这种快速的响应特征， 可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。
• 光电池 • 光敏三极管
2. 光电元件
2. 光电元件
• 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
(1) 长光栅莫尔条纹
播放动画
(2) 长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
(3) 圆弧莫尔条纹
单播击放准播中备放…演…动示画
(4) 光闸莫尔条纹
播放中播…放…动画
1. 莫尔条纹的形成原理
• 由图5可见，在a-a线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的 亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在d-d线上，两块光栅的栅线错开， 形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。
6.2.4 辨向原理
• 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不止是单向的，既有正向运动， 也可能有反向运动。单个光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方向，因而就不能判别运动零件的运 动方向，以致不能正确测量位移。
6.2.4 辨向原理
• 设主光栅随被测零件正向移动10个栅距后，又反向移动1个栅距，也就是相当 于正向移动了9个栅距。可是，单个光电元件由于缺乏辨向本领，从正向运动 的10个栅距得到了10个条纹信号，从反向运动的1个栅距又得到1个条纹信号， 总计得到11个条纹信号。这和正向移动11个栅距得到的条纹信号数相同，因 而这种测量结果是不正确的。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数 累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这 样就能得到正确的测量结果。