光栅传感器工作原理

A
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莫尔条纹（Moire）的特性
机电一体化技术
方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时
→ 与光栅移动方向垂直
同步性：光栅移动一个栅距
→ 莫尔条纹移动一个间距
→方向对应
放大性：夹角θ很小
W
n1W14W n2W24W n3W34W
A
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机电一体化技术
sin x
cosx sin x
cos x
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光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
标 尺 光 栅
假如移动了一个栅距 W
机电一体化技术
被
莫
测 物 体 位
通过光栅 转换
尔 条 纹 移
通过光电 元件转移
正 弦 波
整 转
形 换
移
动
方 逻辑电压 脉 波转 换冲
故 被测物体位移＝栅距×脉冲数
A
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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。
W
透 射 式
20线-150线/mm
W
反 射 式
25线-50线/mm
W 为光栅常数，A也称光栅栅距。
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按光学形式分： 透射式---光源与光电元件在两侧→透射光 反射式---光源与光电元件同一侧→反射光
A
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的工作原理 莫尔条纹的形成
机电一体化技术
机械工程及自动化学院 A
倪霞林 1
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
机电一体化技术
传 感 器
放 大 器
细 分 电 路
整 形 电 路
脉冲
细 分 电 路
当量 变 换 电
计 数 器
寄 存 器
计 算 机
显示 执行 机 构
路
辨向电路
数字信号检测系统的组成
A
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
机电一体化技术
A
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光栅传感器的结构和工作原理
机电一体化技术
光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点
A
➢精度高： 测长±(0.2+2×10-6L)μm， 测角±0.1″
光栅传感器的测量电路 信号
机电一体化技术 方波信号
信
号
放
细
整
转
大
分
形
换
正弦(余弦)信号
A
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四
倍
加
频
减
、
计
判
数
向
数
字
信
号
各种接口
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光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
→ B>>W
→ 光学放大
→ 提高灵敏度
可调性：夹角θ↓
→ 条纹间距B↑ → 灵活
准确性：大量刻线
→ 误差平均效应
→ 克服个别/局部误差
A
→ 提高精度
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
光栅的分类
机电一体化技术
按用途分
物理光栅 利用光的衍射现象，主要用于光谱分 析、光波长测量。
计量光栅 利用莫尔条纹现象，主要用于长度、 角度、速度、加速度、振动等物理量 的测量。
计量光栅
长光栅 用于长度测量 圆光栅 用于角度测量
按光的走向
透射式光栅 反射式光栅
径向光栅 切向光栅 环形光栅
黑白光栅（幅值光栅）
按栅线的形式
A
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闪耀光栅（相位光栅）
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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 )
A
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机电一体化技术
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光栅传感器的结构和工作原理
机电一体化技术
光栅传感器的结构
-
+
位移
A
正弦波
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莫尔条纹（Moire）
机电一体化技术
主光Biblioteka Baidu 指示光栅
均匀刻线
夹角 移动 明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B W
W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2 特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
透镜
主光栅
光源
指示光栅 光电元件
光栅副
光路
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
机电一体化技术
按运动形式分： 直线型---主光栅为直尺形→直线移动 旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动
➢量程大： 透射式---光栅尺长（米）， 反射式---几十米
➢响应快： 可用于动态测量
➢增量式： 增量码测量 → 计数 断电→数据消失
➢要求高： 对环境要求高→温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度
➢成本高： 电路复杂
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