光栅传感器

光栅传感器的应用 数显表
尺身安装孔
尺身 防尘保护罩的内部为长栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
光栅的外形及结构
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
4.5.2.莫尔条纹的形成
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”。
(a ) 径向光栅
(b ) 切向光栅
(c) 环形光栅
按栅线形式：黑白光栅和闪耀光栅
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。
4.5.1 光栅传感器的结构
光栅副
主光栅和指示光栅之间的距离d可根据光栅的 栅距来选择。主光栅和指示光栅在平行光的照射 下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装 置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明 暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光 敏晶体管。
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2

W

a
a b a b
a b a b a
B

B
w 2 1
莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数， 则：
B 1 B k W
2
1w
2
4.5.6 细分技术
目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。 细分方法： 2.电子细分； 3.机械和光学细分。
每个输出脉冲间隔代 表一个栅距
1.增加光栅刻线密度；
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
透射式圆光栅
固定
（2）反射式光路
1反射主光栅 2-指示光栅 3-场镜 4-反射镜 5-聚光镜 6-光源 7-物镜 8-光电电池。 光源6→聚集透镜5→场镜3→平行光呈某角度照射反射光 栅副1、2上→反射镜4→物镜7→光电池8。
该光路适用于黑白反射光栅。
反射式光栅
4.5.5辨向原理
单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，
相距B/4放置四个光电元件
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，测量步距是原来的1/4，较大地 提高了测量精度。
细分前后比较
4.5.7 光栅传感器的应用
由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围 广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和 数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。
90°； ，仍超前 u 2
反相后得到的脉冲方波； 是 u1 u1
w是 u1 经微分电路后得到的脉冲波； u1
w 是 u1 经微分电路后得到的脉冲波 u1
对于“与门 y1”： 总是处于低电平，所以 u2 当u1w高电平时， y1 输出为零（0） 对于“与门 y ”： 总是处于高电平，所以 当 u 高电平时, u2 y 输出为高（1） 此时触发器： 置“1”，→（控制）“可逆计数器”作 加法计数
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
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
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 )
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、振动等。
例: 光 栅 式 万 能 测 长 仪
光源：红外发光二极管 主光栅：透射式黑白振幅光栅； 指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为 π/2的原始信号； 光电元件：光电三极管 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、辩相电路辩相 后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。
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。 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。 按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）
圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角 位移. 放大
a w
b
(b ) 圆光栅
缝隙宽度 栅距角 栅线宽度
栅距
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. 若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
光栅应用
光栅应用
光栅应用
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。
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。
W
2. 可以进行细分，提高精度
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.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
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。 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。
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。
在很大程度上消除短周期误差的影响。
4.5.4 光栅的光路
（1）透射式光路
1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件
光源1发出光线→准直透镜2→平行光束→光栅副3、4→ 光电元件5接收 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。
特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。
透射式长光栅
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：
B
W
2sin 2

W

长光栅横向莫尔条纹
莫尔条纹演示
主光栅 指示光栅
均匀刻线
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
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。
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。
光栅副：指示光栅＋主光栅
a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）
通常情况下，a=b=W/2
光栅的外形及结构
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。
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
缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
四倍频细分
方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电 元件，得到四个相差依次为π/2的电压信号；或在 相差 B/4 位置上安放两个光电元件，得到两个相差 π/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四 个依次相差π/2的电压信号。 在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运 动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运 动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
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。
辨 向 电 路 各 点 波 形 图
u1 是元件1输出的波形，超前 u u 290°
2
u 2是元件2输出的波形；
是 u 2 波经整形放大后的脉冲方波； u2
是 u1 波形经整形放大后的脉冲方波 u1