位移检测传感器之光栅传感器

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光栅结构放大图
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莫尔条纹
长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能 力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细 线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并 使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光 的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝 隙透过，形成亮带（如图a-a线），而在一块光 栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带 （b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹， 这些条纹称为莫尔条纹。 条纹方向与刻线方向 近似垂直。
反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属 或镀以金属膜的玻璃上。
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3. 光学系统
由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相 同，常采用的光学系统有：
(1)透射式光路 (2)反射式光路
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（1） 透射式光路
光源5发出的光线经准直 透镜4变成平行光，入射 到指示光栅3上，经过指 示光栅3和标尺光栅2， 再透射到光敏元件1上。
一般标尺光栅固定不动， 而光源、指示光栅和光 敏元件固定在被测位移 体上，莫尔条纹的移动 信号被光敏元件接收。 每当亮带通过光敏元件 时，有一个相应的电信 号输出。
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透射式光栅
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（2） 反射式光路
光源1发出的光线经聚光 镜2及场镜4后以平行光 束射向指示光栅5上，再 经标尺光栅6反射后形成 莫尔条纹，通过反射镜3 和物镜系统7把莫尔条纹 的信号送入光敏元件8上.
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2. 长光栅位移传感器
在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅 作成一个标尺光栅和一个指示光栅。
标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量 程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统 的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。
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。
光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方 向.
莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光 栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。
因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动 的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移 的检测。
——莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅 条纹夹角之间关系为BH= W/θ,θ越小， 则BH越大。这相 当于把栅距 W放大了 1/θ倍。如对于25线/mm长光栅而言， W=0.04mm,若θ=0.016rad，则 BH =2.5mm
(这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹 移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现 高灵敏的位移测量)
由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光 敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计 数，就可知道移动的实际位移。
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1. 长光栅位移传感器的工作原理
当两个光栅沿刻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（两者的运动方向相互垂直）。光栅每 移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量 莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。
第三节 大位移检测传感器
二、光栅位移传感器
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二、光栅式位移传感器
光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测 量角位移的圆光栅。
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光栅式位移传感器的分类
1 测量线位移的长光栅
2 测量角位移的圆光栅
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长光栅
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x
U U U sin 2Wx 0
m
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莫尔条纹有如下特点
——莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹 由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的 刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精 度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。
——莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。 如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即 移过100x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过 的莫尔条纹也是100x条。
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莫尔条纹有如下特点
——当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹
的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一 个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫 尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号， 如图所示。
U
Um
其电压为：
U0
o W/2 W 3W/2 2W
圆光栅
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莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅， 如图所示。
用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻 出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的， 而两刻痕之间是透光的。
光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻 痕之间的距离为栅距W。
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莫尔条纹
根据莫 尔条纹 效应设 计光栅 传感器。
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莫尔条纹
若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即 莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有
பைடு நூலகம்
WW
BH
2(sin/2)
这里θ是弧度，如果夹角为0.10，则 θ=0.1/180*π,则BH=573W,相当于把栅距放 大了573倍。
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莫尔条纹有如下特点
——运动方向：当两个光栅沿刻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（两者的运动方向相互垂直）。 光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。
——莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅 距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；
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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 时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用 光学玻璃。