最新第七章--光栅传感器教学讲义ppt课件
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位移检测传感器之光栅传感器PPT课件
28
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•课堂练习
29
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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
30
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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
31
第31页/共44页
• 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。
13
第13页/共44页
光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
14
第14页/共44页
2. 长光栅位移传感器 根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅
和反射光栅。 透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高
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
32
第32页/共44页
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
BH
W
1.8
0.04 /180
*
1.27mm
33
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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）
34
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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
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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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• 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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光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
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2. 长光栅位移传感器 根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅
和反射光栅。 透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高
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
BH
W
1.8
0.04 /180
*
1.27mm
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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）
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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
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。
光栅式传感器ppt课件
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
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
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
第7章光栅ppt课件
零位光栅
零位光栅透过的光能量
作业
7.1，7.2，7.7
1、一对均为50 lp/mm的光栅尺组成横向莫尔条纹测 量装置，有四列信号输出，光电接受管的直径为 1mm，两光栅的夹角至少应该有多大？如果单刻线 的误差为 ±1μm，光电接受管的平均误差是多少？
2、莫尔条纹法进行几何测量有什么优点？光栅莫尔 条纹测量装置，一般为什么有四列信号输出？
处理方法：将0～360o分为 8个区，每个区间各占45o。 单片机采集正、余弦信号的A/D值，并对其进行正、 负及绝对值大小的判断，由此可唯一确定每个区间。
在1、4、5、8区间用tgθ查表细分，在2、3、6、7 区间用ctgθ查表细分,而由tgθ和 ctgθ的性质可知，只需 在0～45o 范围造表细分。用基数加上或减去查表值即 可求得不同区间的细分值。
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4— 转盘 5—工件 6—刀具
数控加工中心
编码器在数控加工中心的 刀库选刀控制中的应用
角编码器与旋转刀库连接 刀具
旋转刀库
角编码器的输出为当前刀具号 被加工工件
用不同的刀具加工复杂的工件
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测量伺服电 机的转速、转角，并通 过伺服控制系统控制其 各种运行参数。
莫尔条纹是周期函数。
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
（3）测量原理
主光栅相对指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条 纹间距。莫尔条纹将光栅位移信息转换成光强随时间的变化。 只要计测条纹移过的个数 n，便可计算出光栅的位移量L，即
Lnq
（7-38）
式中 q=d 为量化单位，表示每移动一条纹所对应的长度量；δ 是不足一周期的移动量所对应的位移量。
光栅传感器
空间环境感知
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
光纤光栅传感器原理课件
光纤光栅的反射波长与其光栅周期存在一种反比关系，通过改变光 栅周期可以实现对反射波长的调谐。
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。
光纤光栅传感技术PPT课件
n1＞n2
4
第4页/共20页
光纤光栅传感器
光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG) 传感器：
属于波长调制型非线性作用的光纤传感器。
是利用光纤材料的光敏性制成 的，激光通过光纤时，光纤的折射率随光 强的空间分布发生相应的变化，变化大小 与光强成线性关系并可以永久的保存下来， 这样在纤芯中形成了具有折射率周期性变 化的结构，实质是在纤芯内形成了一个窄 带的滤波器或放射器。
截面上的应变测点 Locations of OFBG sensors
（a）北跨中截面2#、5#传感器反应图
(b)中塔北侧下游N24索1#、2#传感器 反应图
光栅应变传感器静力加载下的测试结果
strains in girder and cable under static loading
17
第17页/共20页
5
第5页/共20页
第6页/共20页
光纤光栅传感基本原理
检测场
光栅距离
B 2n
, n
反射波长
7
第7页/共20页
光纤光栅传感器类型
压力
剪力
FBG传感器
位移
加速度
温度
应变
8
第8页/共20页
光纤光栅应变传感器
基片式封装的光纤光栅应变 传感器
夹持式光纤光栅应变传感器
9
第9页/共20页
光纤光栅应变传感器
14
第14页/共20页
光纤光栅传感器应用实例
光纤光栅应变传感器及其在主梁和斜拉索上的布设位置 Locations of OFBG-sensors in the girders and stay cables
15
光栅CCD光纤传感器PPT课件
（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便 于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技 术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗 的光栅。
（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均 作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没 有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线 精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标 尺测量的主要差别。第三页，课件共63页
(1) 光纤的传感器中的作用
功能型
非功能型
返回
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第四十一页，课件下共一63页页
拾光型
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
返回
上一页
第十七页，课件共63页
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
第十八页，课件共63页
CCD图像传感器的分类 (1)线阵CCD
第十九页，课件共63页
19
(2)面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电 子自扫描，可以获得二维图像。
第二十页，课件共63页
20
面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、 转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
第三十四页，课件共63页
7.5.1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大 于包层的折射率
返回
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下一页 第三十五页，课件共63页
斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。
（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均 作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没 有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线 精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标 尺测量的主要差别。第三页，课件共63页
(1) 光纤的传感器中的作用
功能型
非功能型
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第四十一页，课件下共一63页页
拾光型
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是 敏感元件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
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第十七页，课件共63页
彩色CCD显微照片（放大7000倍）
第十八页，课件共63页
CCD图像传感器的分类 (1)线阵CCD
第十九页，课件共63页
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(2)面阵CCD
面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电 子自扫描，可以获得二维图像。
第二十页，课件共63页
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面阵CCD外形（续）
200万和1600万像素的面阵CCD
应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、 转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
第三十四页，课件共63页
7.5.1 光导纤维的结构和导光原理
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大 于包层的折射率
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斯乃尔定理
当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的 光或被其反射、散射的光。
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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 图7.8 四倍频细分
第7章 光栅传感器
7.3.3 CCD 1. CCD直接细分的原理是：利用线阵CCD上数千个等间
距的像素所构成的“感光尺”对整栅距的位移信号，即周期 性的交点移动信号进行细分，使测量信号能够反映一个栅距
在均匀的背景光照明下，光栅刻线在CCD像素位置上 形成明暗相间的像，如图7.9(a)所示。CCD在扫描驱动脉冲 的控制下对一维视场进行扫描，输出一个周期性的脉冲序列。 周期内的脉冲数等于像素数，脉冲幅值反映了像点的亮度， 从脉冲序列中可以明显地辨认出交点的位置(暗点)(如图7.9
(7.5)
第7章 光栅传感器
7.2
7.2.1 光栅传感器的光电转换系统由光源1、聚光镜2、光栅主
尺3、指示光栅4和光电元件5组成，如图7.4(a)所示。当两块 光栅作相对移动时，光电元件上的光强随莫尔条纹移动而变 化，如图7.4(b)所示。在a处，两光栅刻线不重叠，透过的光 强最大，光电元件输出的电信号也最大；在c处，光被遮去 一半，光强减小；在b处，光全被遮去而成全黑，光强为零。 若光栅继续移动，则透射到光电元件上的光强又逐渐增大， 因而形成图7.4(c)
第7章 光栅传感器 图7.5 辨向原理
第7章 光栅传感器
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然相差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，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。这样就完成 了辨向过程。图7.6
第七章--光栅传感器
第7章 光栅传感器
7.1 光栅基础
7.1.1 1. 光栅按其原理和用途可分为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 波长等的测量。在几何量计量中使用的光栅称为计量光栅。 计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、
按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。 刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属
(7.4) 当i和θ一定时，B与移动距离x
第7章 光栅传感器
3. 光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取 的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，对刻划误 差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及 短周期误差的影响。这是光栅传感器精度高的一个重要原因。 刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为δ，形成的莫 尔条纹区域内有N条刻线，则综合误差Δ为
第7章 光栅传感器 图7.4 光电转换
第7章 光栅传感器
7.2.2 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，电信号变化了一个周期。这样，光电信号的输出电压U 可以用光栅位移x的正弦函数来表示，光电元件输出的波形 为
(7.6)
由式(7.6)可知，利用光栅可以测量位移量x
第7章 光栅传感器 按其栅线形式，光栅可分为黑白光栅(幅值光栅)和闪耀 光栅(相位光栅)。黑白光栅是利用照相复制工艺加工而成的， 其栅线与缝隙为黑白相间结构；相位光栅的横断面呈锯齿状，
按其应用类型，光栅可分为长光栅和圆光栅。长光栅又 称为光栅尺，用于测量长度或线位移；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两种，而且 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。
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=(7.1)中，有
第7章 光栅传感器 图7.6 辨向原理电路框图
第7章 光栅传感器
7.3
7.3.1
(1) (2) 对电信号进行电子插值，把一个周期变化的莫尔条 纹信号再细分，即增大一个周期的脉冲数，这种方法称为倍 频法。电子细分又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分
(3)
第7章 光栅传感器
7.3.2 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件(如图7.4
第7章 光栅传感器
第7章 光栅传感器
第7章 光栅传感器
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
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
(c)所示)，得到相位分别相差π／2的四个正弦周期信号(如图 7.7所示)。用适当的电路处理这一列信号，由图7.8(a)可知， AB和CD两光电元件输出的U1和U2经方波发生器后变成方波， 并相差π／2。在1、3点的方波经倒相器倒相一次，便得到2、 4点的两个方波的倒相电压。将它们分别微分后获得5、6、7、 8四点的正脉冲，同时送到与非门得到9点的12个输出脉冲为 原来任意一路的四倍，实现了四倍频细分，如图7.8(b)所示。