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
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
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
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
2 sin
W
a b a
2
b
a
21
a
b
B
a
B
b
a w
莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数， 则：
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）
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。
4.5 光栅传感器
光栅作为一种光学器件，很早就有，但早期人 们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长 测量，直到了近代才开始利用光栅的莫尔条纹现象 进行精密测量，它的突出特点是精度非常高，分辨 力特别强 （长度可达0.05µ，角度可达0.1″），所 以广泛应用于精密加工，光学加工，大规模集成电 路的设计、检测等方面,尤其是目前军事领域。
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。
辨向光路设置
在相距1/4的位置上设置两个光电元件1和2， 以得到两个相位互差90°的正弦信号
辨向电路
正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中 减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
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
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
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
3.1光栅传感器
3.1 光栅传感器
图3.2 直线光栅外观及内部结构剖面示意图 （a）外观图 （b）剖面图
1—铝合金外壳尺身 2—带聚光镜的LED 3—标尺光栅 4—指示光栅 5—装有光敏元件的游标 6—密封唇 7—读数头 8—信号处理电路
3.1 光栅传感器
图3.3 直线透射式光栅测量示意图 1—光源 2—透镜 3—指示光栅 4—标尺光栅 5—光敏元件
3.1 光栅传感器
2.细分技术 细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，
成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。细 分后，传感器的分辨力有较大的提高。通常采 用的细分方法有四倍频、十六倍频法。例如， 在图3.5中，如果在sin和cos脉冲的上升沿及下 降沿均取出微分尖脉冲，合并后，在一个W的 距离内，就能得到4个计数脉冲，从而实现4细 分。
3.1 光栅传感器
3.1.2 光栅传感器的工作原理 1.工作原理 利用光栅的莫尔条纹现象进测量的。
图3.4 光栅测量原理图 1—光源 2—透镜 3、4—光栅 5—光电
3.1 光栅传感器
2.莫尔条纹的特性 （1）运动对应关系
图3.5 莫尔条纹的形光栅副中，由于角很小，若两光栅 的光栅常数相等，都为W，得到
3.1 光栅传感器
3.1.4 光栅传感器的应用—光栅数显表
图 3.7 微机光栅数显表及应用 （a）微机光栅数显表的组成框图 （b）微机光栅数显表在机床操作中的应用
LW
（3—1）
莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为
K L 1
W
（3—2）
3.1 光栅传感器
（3）减小误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为
数百条）共同形成的，对光栅的刻划误 差有平均作用，从而能在很大程度上消 除栅距的局部误差和短周期误差的影响。 同时，个别栅线的栅距误差或断线及疵 病对莫尔条纹的影响很微小。
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六、实验的原理及预期结果（一）实验原理6.1.1 概述位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
6.1.2 原理[8]计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。
“莫尔”源出于法文Moire，意思是水波纹。
几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。
一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。
计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。
下面以透射光栅为例加以讨论。
透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，b=称为光栅aW+栅距。
如图6.1所示图6.1 光栅栅距目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。
光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。
一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。
为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。
当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。
由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。
如图1.2，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移X 的函数。
每当X 变化一个光栅栅距W ，信号就变化一个周期，信号由b 点变化到b '点。
由于W bb '=，故b '点的状态与b 点状态完全一样，只是在相位上增加了π2。
由图6.2可得光电信号为：()022u U X W ππ=+m 平均+U sin式中u—光电元件输出的电压信号；U平均—输出信号的直流分0量；U—输出信号中正弦交流分量的幅值。
从公式中可见，m当光栅位移一个节距W，波形变化一周。
这时相应条纹移动一个条纹宽度B。
因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即X N W=图6.2 光栅输出信号波形图6.1.3 信号处理[8]辨向原理在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。
为了辨向，需要有2π相位差的两个莫尔条纹信号。
如图6.3，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差2π的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01’和u02’。
光栅正向移动时u01超前u02 ︒90，反向移动时u02超前u01︒90，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。
图6.3 相位差2π输出信号波形图细分技术随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。
所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。
如一个周期内发出n个脉冲，则可使测量精度提高n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。
由于细分后计数脉冲频率提高了n倍，因此也称n倍频。
通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。
在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差︒90的电信号，用反相器反相后就得到四个依次相差︒90的交流信号。
同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差︒90的交流信号，实现四倍频细分。
其二、电路细分。
电路细分有很多种方法，图6.4是最基本的一种二倍频细分电路。
图6.4 脉冲边沿检测器组成的二倍频电路6.1.4 SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器主要参数[6]长春光机数显技术有限责任公司生产的光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。
产品已形成系列，供不同规格的各类机床选用，有效量程从50mm —30m，覆盖几乎全部金属切削机床的行程。
SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器主要参数：表6.1 传感器主要参数输出信号接线表表6.2 YC-18-7七芯表6.3 9PD九芯图6.5 SGC－4.2 外型尺寸七、实验的器材、物品（一）SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器长春光机数显技术有限责任公司生产的光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。
其结构参数及外形图如图7.1、7.2所示。
图7.1 SGC－4.2 外型尺寸图7.2 SGC－4.2 实物外形及接口连线图（二）光栅尺接口及连线光栅尺与DRVI平台接口采用Depushi提供的生产五芯电缆式插头，如图7.3（1）所示，其信号接口图如图7.3（2）所示。
（1）五芯电缆式插头（2）信号接口图图7.5 DRLAB快速可重组综合实验平台八、实验的过程（一）虚拟仪器面板的搭建DRVI虚拟仪器系统的运行必须与DRLAB实验系统平台相连接才能运用系统的全部功能。
DRVI是一个采用COM组件容器程序设计的软件总线结构的可重构虚拟仪器可视化开发／运行一体化平台。
该操作平台提供了虚拟仪器软件总线面包板、软件芯片插件组、嵌入式Web服务器、VBScript脚本语言等功能支持。
本课题设计信号总体流程图，如图8.1所示。
图8.1 整个课题设计的总体思路过程图制作界面的具体步骤如下：1．打开实验室的电源开关。
2．打开实验平台的总开关，开启实验平台上的电脑，同时打开实验平台上的采集仪开关。
3．电脑打开以后，双击电脑桌面上的图标，打开DRVI虚拟仪器系统。
4．DRVI启动后点击红色箭头所示“联机注册”按钮进行注册，选择“DRVI采集仪主卡检测（USB）”进行服务器和数据采集仪之间的注册。
5．在面板搭建中需要一个采集仪数据采集芯片，用于采集采集仪上的数据进行比较。
同时需要两个波形显示器芯片来显示控制传感器的两路信号的波形，比较直接的反映光栅位移传感器的辨向原理。
需要LED数据显示芯片来显示传感器的位移数值。
两片启/停芯片，一片用于启动整个虚拟仪器界面，一片用于LED数据显示芯片的清零控制。
两片“VB Script脚本”芯片，一片通过编写脚本程序来获得传感器的两路信号，通过比较来辨别传感器的位移方向，同时通过对一路信号的记数来计算传感器的位移并且将数据传到LED数据显示芯片；另一片通过编程来实现对LED数据显示芯片的清零功能。
插入两片“内存条”芯片来扩展两条数组型数据线再加一些文字显示芯片和一些装饰芯片以及一些几何图形芯片，就可以搭建本课题的虚拟仪器的面板。
所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图所示。
根据实验原理设计图在DRVI 软面包板上插入上述软件芯片，然后在“VB Script脚本”芯片中添加VB Script小程序，并修改各芯片特性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。
6．有了以上步骤，制作界面还要有流程图来明确界面的制作，流程图是设计界面和编写程序的基本参考，流程图绘制的是否符合课题的要求关系到以后的编程和课题实验的进行。
其流程图如附录一所示。
7. 更改各个芯片的设置。
图8.2 芯片6001属性设置示意图右键点击芯片号为6001的“开/关按钮”图标，如图8.2所示，将匡中的标题一栏中的“on/off”改为“开始”并将开关线号一栏中的“-1”改为“1”。
然后点击“设定”“关闭”，设置完毕。
图8.3 芯片6029属性设置示意图右键单击芯片号为6029的“按钮芯片”，出现如图8.3所示对话框。
将对话框中的标题一栏改为“位置参考点”。
将驱动芯片号改为6028，点击“设定”。
图8.4 芯片6005属性设置示意图更改芯片号为6005的“LED数据显示”芯片的设置，如图8.4所示将“显示值线号”改为“3”，点击“设定”。
图8.5 芯片6008属性设置示意图更改“波形/谱图IC”芯片的设置，如图8.5所示，将芯片号为6008的数据存储芯片号改为“6000”，更改另一个“波形/谱图IC”的设置，将芯片号为6033的数据存储芯片号改为“6031”。
图8.6 芯片6010属性设置示意图图8.7芯片6002属性设置示意图更改VB Script脚本编辑芯片的设置，如图8.6所示，将芯片号为6010的主程序脚本对话框的数据驱动线号改为“6031”，点击设定。
设置位置参考点程序脚本6028的数据驱动线号不变。
更改芯片号为6002的“蓝津信息数据采集仪”芯片的设置，如图8.7所示将开关线号改为“1”，将采样通道定义中的2和5通道改为“1”，将波形存储芯片定义中的第二和第五个分别改为“6031”和“6000”，将采样通道数改为“2”。
用对三维矩形进行分区使其更加美观和功能分区更加明确，同时对不同的分区用芯片标明各个分区的功能。
点击芯片6008出现如图8.8的对话框。
图8.8 芯片6008属性设置示意图将对话框中的标题改为不同分区的功能名称，将前景色和后景色改为不同的数值使界面更加漂亮。
面板搭建的效果图如图8.9所示。
板效果图虚拟面板搭建好以后可以生成界面的网络布线图，点击DRVI虚拟界面上的“编辑”然后点击软件芯片布线图，就出现如图8.10所示。
图8.10 网络布线图根据光栅位移传感器的原理我们可以得到传感器的两路信号在传感器向左和向右移动时的信号关系，如图8.11和图8.12所示。
图8.11传感器向左移动时A路和B路信号如图8.11所示，当A路信号为下降沿时，B路信号为低电平。
图8.12 传感器向右移动时A路与B路信号如图8.12示，当A路信号为下降沿时，B路信号为高电平。
利用传感器在左移和右移时两路信号关系的不同，可以在编程中解决传感器的辨向问题。
在传感器的移动过程中，DRLAB平台的数据采集卡不断对传感器产生的两路信号进行采样，我们假设对A路信号采样所得的数据为behindsmall，在behindsmall之前采样所得的数据为presmall，当presmall<behindsmall时，A路信号为下降沿，每到一个下降沿，A路信号就通过了一个脉冲，对脉冲进行计数。
每个脉冲代表传感器移动了一个栅距，即0.02mm。
计数所得值乘以0.02就是传感器移动的距离。
同时，在判断A路信号为下降沿的同时，当B路信号为低电平时，说明传感器向左移动，当B路信号为为高电平时，说明传感器向右移动。