光栅传感器的构成三、莫尔条纹的形成原理及特点四
莫尔条纹
莫尔条纹机电科学与工程系电子信息工程莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。
所谓莫尔条纹，是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹。
数控方面的莫尔条纹是由光栅固定在机床活动部件上，读数头装在机床固定部件上，并且两者相互平行放置，在光源的照射下形成明暗相见的条纹。
莫尔条纹具有如下特点：变化规律，两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。
由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步；放大作用，在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系（θ的单位为rad，W的单位为mm），由于倾角很小，sinθ很小，则W=ω /θ，若ω＝0．01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍；均化误差作用，由若干光栅条纹共用形成莫尔条纹，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。
莫尔条纹现象是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致，通常解决方法用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号挡住，其副作用就是降低成像分辨率。
因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。
因为D70的CCD前面使用效果比较弱的低通滤镜，所以在提高成像分辨率也造成了莫尔条纹出现几率的增大，此现象也广泛出现于其他DSLR上。
根据莫尔条纹的形成原理制成了光栅尺位移传感器，其工作原理是，当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。
在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。
相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。
莫尔条纹的形成原理
应用莫尔条纹进行测量的优点
将光栅常数非常小的、高精度的、人眼 不能直接观察的光栅放大，可以用人眼 或仪器直接观察到莫尔条纹，测量精度 可以达到1μm; 条纹呈周期变化，便于读数和消除随机 误差; 光栅尺可以印在塑料薄膜上，成本低， 使用方便.
光栅传感器
工作原理：
利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光 栅的相对移动使透射光强度呈周期性变化，光 电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信 号，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动 量。
(3)测量微小角度
将式(2)做微分运算，并改写成有限变量 的形式
（ 5）
根据式(5)可以动光栅与静光栅之间角度的微小 变化量。例如，光栅常数为d=0.002mm,两块光 栅的角度为θ=0.01°，当动光栅与静光栅之间 的角度发生Δθ=1″的变化量时，莫尔条纹宽 度从11.459变到11.149，莫尔条纹的变化量为 Δm=0.31，这一变化量是很容易测量的。
要求标准光栅的光栅常数与被测光栅的光栅常数接近但不等转动标准光栅和被测光栅之间的角度使莫尔条纹间距达到最大此时0代入公式1则用这种方法还可以看出被测光栅的间隔是否均匀如果不均匀则莫尔条纹会发生弯曲
莫尔条纹的形成原理
两块参数相近的透射光栅以小角度叠加， 产生放大的光栅。
莫尔条纹演示
条纹间距的计算
（ 2）
用这种方法还可以看出被测光栅的间隔是否均 匀，如果不均匀，则莫尔条纹会发生弯曲。
（2）测量微小位移
当两块光栅的光栅常数相等时，根据公式 (1)，有
利用三角函数关系
，有
（ 3）
当θ非常小时，可以将式(2)进一步简 化为
m≈d/θ
（ 4）
论文：简述莫尔条纹的特点
论文：简述莫尔条纹的特点1、简述莫尔条纹的特点答:光栅莫尔条纹具有如下特点:1(起放大作用由于θ角度非常小，因此莫尔条纹纹距W要比栅距ω大的多。
如ω=0.01mm，即光栅的线纹为每毫米100条，此栅距人们无法用肉眼分辨，但如果调整θ角，使得W=10mm，即放大倍数为W,ω=1000倍，10mm宽的莫尔条纹是清晰可见的。
2(莫尔条纹的移动与栅距成比例当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅移动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距ω，莫尔条纹就准确地移动一个纹距W，只要通过光电元件感测移过莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动了多少个栅距，而栅距是制造光栅时确定的，因此工作台移动的距离就可以计算出来。
而且当工作台移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也有规律地变化:设标尺光栅不动，将指示光栅按逆时针方向转过θ角，那么当指示光栅左移时，莫尔条纹向下移动;反之，当指示光栅右移时，条纹则向上移动。
如果将指示光栅按顺时针方向转过θ角，那么情况与上述相反。
由上可见，如果沿着莫尔条纹方向安装二组距离相差W,4的光电元件，就可以测量光栅的移动距离和方向。
3(起平均误差作用因为莫尔条纹是由许多光栅线纹所组成，若光电元件接受的长度(即纹距)为10mm，在栅距ω=0.01mm时，光电元件所接受的信号由1000条线纹组成，因此制造上的缺陷，例如间断地少几条线纹只会影响千分之几的光电感应信号强弱。
因此用莫尔条纹时，其精度是由一组线的平均效应决定，精度尤其是重复精度会更高。
2、数控机床对主轴驱动有哪些要求,答:随着数控机床的不断发展，传统的主轴驱动方式已不能满足要求，现代数控机床对主传动提出了更高的要求: ?(1)数控机床主传动要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
特别对于具有多工序自动换刀的数控机床一加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的要求，对主轴的调速范围要求更高。
(2)数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传递环节，简化主轴箱。
光栅产生莫尔条纹的原理
光栅产生莫尔条纹的原理
光栅产生莫尔条纹的原理可能是由于两个空间频率相近的周期性光栅图形叠加，通过遮光效应、衍射效应和干涉效应等多种原理形成的。
1. 遮光效应：当两个光栅相互重叠时，由于它们的线条间隙不同，会产生明暗相间的条纹，即莫尔条纹。
这种条纹是由于光栅线条的遮光和透光作用相互叠加造成的。
2. 衍射效应：光通过光栅时会发生衍射，两个光栅的衍射波相互叠加，形成莫尔条纹。
这种效应在光栅间距较小时尤为明显。
3. 干涉效应：当两个光栅的线条非常细小且接近时，它们的衍射波会相互干涉，形成明暗相间的莫尔条纹。
这种效应通常需要光源具有较好的相干性。
莫尔条纹的特点是它们对光栅的位移非常敏感。
当光栅相对移动时，莫尔条纹也会相应地移动，这种现象被广泛应用于精密测量技术中，如光栅尺位移传感器。
通过计算莫尔条纹的变化，可以精确地测量出物体的位移和速度。
莫尔条纹形成原理及其特点
莫尔条纹形成原理及其特点
莫尔条纹是两个线或物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。
它是光栅位移精密测量的基础，由两个空间频率相近的周期性光栅图形叠加形成。
当偏振光通过晶体时，会发生双折射现象，导致光线振动面发生旋转。
如果晶体中存在多个方向的结晶，则各个方向对偏振光的旋转角度不同，因此形成的干涉条纹也就呈现出不同的颜色和宽度。
莫尔条纹的特点有：
1. 颜色变化：莫尔条纹的颜色和亮度随晶体中不同方向的结晶特性而变化。
2. 条纹宽度：莫尔条纹的宽度通常与晶体的厚度有关，可以反映出晶体中的厚度变化。
3. 形状：莫尔条纹的形状通常呈现为交错的带状图案，在不同角度下呈现出不同的形态和方向。
此外，莫尔条纹在材料学和地质学等领域中有着重要的应用价值，例如确定晶体结构、检测物质缺陷、判别矿物种类以及评估材料性质等。
以上内容仅供参考，如需更专业的解释，建议咨询物理学家或查阅物理书籍。
莫尔条纹_实验报告
一、实验目的1. 了解莫尔条纹的产生原理；2. 掌握莫尔条纹的观察方法；3. 学习利用莫尔条纹进行精密测量。
二、实验原理莫尔条纹是两条或两个物体之间以恒定角度和频率发生干涉的视觉结果。
当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象中的花纹就是莫尔条纹。
莫尔条纹的形成原理：当两个光栅（或物体）相互重叠时，由于光栅间距的不匹配，光栅线之间产生干涉，形成明暗相间的条纹。
当光栅间距变化时，干涉条纹也会发生变化。
三、实验仪器与材料1. 光栅尺；2. 平行光管；3. 分光计；4. 光电传感器；5. 实验台；6. 记录纸；7. 计算器。
四、实验步骤1. 将光栅尺固定在实验台上，确保光栅尺与平行光管的光轴垂直；2. 调节平行光管，使光线垂直照射到光栅尺上；3. 使用分光计测量光栅尺的光栅间距，记录数据；4. 调节光栅尺，使光栅间距发生变化；5. 观察光栅尺上的莫尔条纹，记录条纹间距和形状；6. 利用光电传感器测量光栅尺的位移，记录数据；7. 分析莫尔条纹的间距与光栅尺位移之间的关系，得出结论。
五、实验数据与结果1. 光栅尺的光栅间距：d1 = 0.5mm，d2 = 1.0mm；2. 莫尔条纹间距：Δx1 = 0.2mm，Δx2 = 0.4mm；3. 光栅尺的位移：x1 = 0.1mm，x2 = 0.2mm。
六、分析与讨论1. 莫尔条纹的间距与光栅间距的关系：根据实验数据，莫尔条纹的间距与光栅间距成正比。
即Δx ∝ d，其中Δx为莫尔条纹间距，d为光栅间距。
2. 莫尔条纹的形状与光栅间距的关系：当光栅间距较小时，莫尔条纹间距较大，条纹形状较为粗犷；当光栅间距较大时，莫尔条纹间距较小，条纹形状较为细密。
3. 莫尔条纹的间距与光栅尺位移的关系：根据实验数据，莫尔条纹的间距与光栅尺位移成正比。
即Δx ∝ x，其中Δx为莫尔条纹间距，x为光栅尺位移。
七、结论1. 莫尔条纹的产生原理：莫尔条纹是由两个光栅（或物体）相互重叠，光栅间距不匹配，产生干涉而形成的；2. 莫尔条纹的观察方法：通过调节光栅间距和观察光栅尺上的条纹，可以观察到莫尔条纹；3. 莫尔条纹的测量方法：利用光电传感器测量光栅尺的位移，可以得出莫尔条纹的间距，从而实现精密测量。
光栅讲义
莫尔条纹的周期：
B d 2 sin
或
2 W B cos d1d 2 d12 d 2 2d1d 2 cos
1/ 2
莫尔条纹是周期函数。
（2）莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹（θ≠0）： 当 d2 =d1 cosθ 时，α=0，是严格的横向莫尔条纹， 即当d1≠d2，总能找到一个θ角得到严格的横向莫尔条 纹，此时B= d1ctgθ=W。 当 d1=d2 时， tgα= (1-cosθ) / sinθ= tg (θ/2) ，即 α=θ/2。实际θ很小，可进似看作横向莫尔条纹，而 B = d2/sinθ≈W是一个很大的值。
d d cos 纵向莫尔条纹（θ=0）：W=d2d1/（d1- d2）。 tg d sin 当d1=d2时为光闸莫尔条纹，W=∞。 B d 2 sin 斜向莫尔条纹：其余情况。 d1d 2
2 1 1
W
d
2 1
2 d2 2d1d 2 cos
1/ 2
长光栅莫尔条纹
W 1 d
（7-40）
一般θ很小，β 约 102～103 量级，条纹宽度大，易于安装光电 管；光闸莫尔条纹指示光栅为四裂相，易于安装光电管。
误差的平均效应：光电器件接收的是许多刻线透过的 光，对刻线工艺误差有平均作用。 光电器件接收莫尔条纹光信号是光栅视场刻线 n 的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为 δ 0 时， 则光电器件输出的总误差
莫尔条纹测量原理
莫尔条纹( moire fringe)携带一维信息用于测量长度和 角度；莫尔条纹携带携带二维信息用于测应变、物体 表面不平度、薄膜厚度，医学诊断和机器人视觉等。
莫尔条纹的形成原理
莫尔条纹的形成原理
莫尔条纹的形成原理是当两个相邻的、空间频率相近的周期性光栅图形重叠时，会产生有别于原图形的第三种可见纹样。
具体来说，当电子束或X射线束等准直入射时，在样品中发生干涉，最后呈现出莫尔条纹。
莫尔条纹是由于同一方向角度一致的光波并列落在物体表面不同位置上而产生干涉，使得同一区域的光强加和后发生周期性变化导致的。
莫尔条纹的应用非常广泛，例如在光栅位移精密测量、表面形貌检测、光学仪器校准等方面都有重要应用。
此外，莫尔条纹还用于电子线路的编码等方面。
在某些形态学好像完全平行或彼此相垂直的物体表面上，当光通过这些物体表面时，会发生散射、干涉或受到多普勒效应等现象影响，也会形成一系列看起来有规则的亮暗条纹，这就是莫尔条纹。
总之，莫尔条纹的形成原理是通过两个周期性结构图案的重叠和干涉产生的。
它的应用非常广泛，对于科学研究和工程技术的发展都具有重要意义。
莫尔条纹的形成原理及特点四
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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。
表5-1莫尔条纹和光栅移动方向与夹角转向之间的关系
标尺光栅相对指示光栅的转 角方向 标尺光栅移动 方向 向左 莫尔条纹移动方向 向上 向下 向下 向上
顺时针方向
向右 向左 逆时针方向 向右
2）光学放大作用 由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ 较小时，可使θ<<1，则B>>W。
如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝ 10 ＝0.00029 rad，则：B=0.01/0.00029≈3.44mm， 放大344倍。
放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任 意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。
3）均化误差作用
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，
对光栅的刻线误差有平均作用。
四、莫尔条纹测量位移
光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一 个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可 得出光栅的位移量。
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 侧的光电转换元件的输出，可以用 光栅位移量X的正弦函数表示，如 图5-5-3所示。只要测量波形变化 的周期数N（等于莫尔条纹移动数） 就可知道光栅的位移量X，其数学 图5-5-3 表达式为
图5-5-1光栅传感器的组成
三、莫尔条纹的形成原理及特点
1、莫尔条纹的形成原理
当两块光栅互相靠近且 沿刻线方向保持有一个夹角 θ时，两块光栅的暗条与亮 条重合的地方，使光线透不 过去，形成一条暗带 ；而亮 条与亮条重合的地方，部分 光线得以通过，形成一条亮 带 。这种亮带与暗带形成的 条纹称为莫尔条纹。
光栅传感器
（6-15）
θ
y
W
a′
a a
b′
b
a′
α
x
b′ b
图6.48 光栅和横向莫尔条纹
由此可见，莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅的夹角决定。
对于给定光栅常数的两光栅，夹角愈小，条纹愈稀，通过调整夹 角，可使条纹宽度具有任何所需值。
2．光栅常用的光路
形成莫尔条纹信号的光路有多种形式，这里简单介绍两种应 用最广的光路形式。
（1） 垂直透射式光路
如图6.49所示，光源1经垂直透镜2形成平行光束，垂直投射 到光栅上，由主光栅3和指示光栅4形成的莫尔条纹光信号，由光 电元件5接收。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。结构简单、 位置紧凑、调整使用方便，应用较广。
12
3
4
5
图6.49 垂直透射式光路
（2）反射式光路 该光路适用于黑白反射光栅，如图6.50所示。光
源6经聚光镜5和场镜3后形成平行光束，以一定角度射 向指示光栅2，经反射主光栅l反射后形成莫尔条纹， 再经反射镜4和物镜7在光电池8上成像
6
5
4
3
7
8
2
1
图6.50 反射式光路
3．光栅辨向原理
设主光栅随被测零件正向移动10个栅距后，又反向 移动3个栅距，就相当正向移动7个栅距。由于单个光 电元件缺乏辨向本领，从正向移动的10个栅距得到10 个条纹移动信号脉冲，从反向移动3个栅距又得到3个 条纹移动信号脉冲，总计得到13个脉冲信号。这和正 向移动13个栅距得到的脉冲数相同，因而这种测量结 果不正确。如能在物体正反方向移动时，将脉冲进行 加减计数，就能得到正确的测量结果。
从而测量出标尺光栅的移动距离。
第10章光栅传感器
2、反射分光式 光学系统
图10—14所示 ：光源1发出 的光经准直透镜2变成平行光 束垂直入射到分光棱镜3，经 过半透分光面时被分成CD、 CE两束光线射到闪耀光栅4的 A、B两点。闪耀光栅具有等 腰三角形线槽。使光栅在自准 状态下工作，即光束垂直投射 到线槽面时，由物理光学可知， 最大强度的衍射光将沿原路反 射回分光棱镜3。这样，由A、 B两处返回的两路衍射光经分 光棱镜3都投射到透镜5。这 两路衍射光是相干的，相遇后 发生干涉，产生的条纹图象经 透镜5由光电元件6接收。
①透镜的通光口径 ②透镜的型式和焦距
栅距较大，而光栅间 间隙较小时，常采用单片 平凸透镜，并使平面朝向 灯丝以减小象差。
在大间隙时，为减小象 差，特别是色差，应采用 双片平凸透镜，并使两者 的平面都朝向灯丝，或者 用消象差的双胶合透镜。
（二） 光栅副
1、主光栅 ①材料的选择 制作光栅的材料有玻璃和金属两类。 ②栅距的选择 ③栅线线宽和长度的选择 2、指示光栅 指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况
有方形的，圆形的，也有光电二极管组合件，它 是将十几个管子做成一体。
3、光电三极管 光电三极管的电流灵敏度高，其稳定性也不
如光电二极管。光电三极管也有组合件。
三、莫尔条纹细分技术
（一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变
化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期 的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又 可分为直接细分、电桥细分、示波管细分 和锁相细分等。 3、机械和光学细分。
（二）直接细分
直接细分法的优点是对莫尔 条纹信号波形无严格要求， 电路简单，可用于静态、动 态测量系统。缺点是光电元 件安放困难，因而细分不能 过高。
莫尔技术
图 4-3 径向圆光栅产生的莫尔条纹
(4-13)
《近代光学测试技术》讲义 x2 + y2 − 2e y − e2 = 0 tg ( Kδ )
(4-14)
可见，莫尔条纹是由一族圆心位于光栅副圆心连线的垂直方 向上的圆组成，横向或纵向莫尔条纹的的方向与偏心方向平 行，且横向莫尔条纹的宽度可由下式表示： 2e w横 = y k − y k +1 = (4-15) k (k + 1)δ 2） 、切向光栅 切向光栅刻线的延长线都相切于半径为 r 的一个小基圆， 该基圆的中心即为圆光栅的中心，如图 4-4 所示。设两反向 相切圆光栅的基圆中心相距 2e， 切向光栅刻线方程可以写为：
三、 扫描莫尔法
无论是阴影莫尔法，还是投影莫尔法，单从莫尔等高线 无法判断被测表面的凸凹。这就增加了测量的不确定性。为 了使莫尔法能进行三维面形的自动测量，必须解决凸凹判断 问题。 方法一：使光栅离开物体，如果条纹向内收缩，且条纹 数减小，表明此处物表面是凸的，反之则是凹的。 方法二：对于阴影莫尔法，可以通过移动光源来判断： 如果光源移离接收器（d 增加） ，条纹向外扩张，且条纹数增 加，则是凸的，反之是凹的。 在投影莫尔法中，让一块基准光栅 G1 或 G2 沿垂直于栅 线方向作微小移动，根据莫尔条纹同步移动的方向，可以确 定表面的凸凹。 如果类似于投影莫尔法，但在成像系统中不是用第二块 基准光栅光栅去观察，而是像电视扫描一样用电子扫描的方 法形成观察的基准光栅，则这种方法就称为扫描莫尔法。 实际上，代替第二块基准光栅的扫描线可以通过计算机图像 处理系统加入。这就意味着只要用图像系统获取一幅变形光 栅像，就可以通过计算机产生光栅的方法产生莫尔条纹。由 于计算机产生光栅的周期和光栅的移动都很容易改变， 所以， 扫描莫尔法可以实现三维表面的自动测量。
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
光栅传感器的构成莫尔条纹的形成原理及特点莫尔条纹测量
在实际装置中常将光源、计量光栅、光电 转换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅 读数头）；将具有细分辨向的差补器、计数器 和由步进电机、打印机或绘图机等组成的受控 装置装在一个箱内，常称为数字显示器。
光源
计量 光栅
光电 转换
前置 放大
细分 辨向
计数
受控 装置
传感器
数字显示器
3自由度光栅数显表
安装有直线光栅的数控机床加工实况
放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任 意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。
3）均化误差作用
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成， 对光栅的刻线误差有平均作用。
四、莫尔条纹测量位移
光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一 个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可 得出光栅的位移量。
由于光栅的遮光作用，透过光
二、光栅传感器的构成
对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移 动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角 位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。
光栅传感器结构为：
光栅传感器由光源、透镜、 光栅副（主光栅和指示光 栅）和光电接收元件组成。
如图5-5-1所示。
图5-5-1光栅传感器的组成
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
侧的光电转换元件的输出，可以用
光栅位移量X的正弦函数表示，如
图5-5-3所示。只要测量波形变化
的周期数N（等于莫尔条纹移动数）
就可知道光栅的位移量X，其数学
表达式为
图5-5-3 光电元件输出与光栅位移的关系
X=N·W
角编码器 安装在夹 具的端部
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量提高分辨力。
例如100线光栅的W=0.01mm，若n=4，则分辨率 可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲 提高了n倍，因此也称之为n倍频。
直接细分
又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4
防护罩内为直线光栅
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E对va信lu号at进ion行o细n分ly.. ted wit细h A分s就po是s在e.莫Sl尔ide条s纹fo变r 化.N一E周T 3期.5时C，li不en只t 输Pr出ofile 5.2
院
五、细分技术
电 气
六、辨向技术
工
程
系
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E的va线lu位at移ion和o角n位ly.移的自动检测 ted wi以th及A精sp密os测e量.S方lid面es，f测or量.N精E度T可3.达5几C微lie米nt。P只rofile 5.2
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长光栅 测量线位移的光栅为矩形并随被 测长度增加而加长
光栅
圆光栅 测量角位移的光栅为圆形
2、光栅的外形及结构
尺身
尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
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ted w数it如h累C果A加os能p，py够or而sig在e物h.物St体2l体Ei反0dv正0ea向4s向lu-移f2ao移0动tri1动o.时1Nn时可EAo，Tsn从pl将3y已o..得s5累e到C加Pl的ite的yn脉脉Lt冲tP冲dr.ofile 5.2
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。
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反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
可移动电缆
扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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B
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W / 2 sin
B Ev2aluation only. ted w所it以hC，AosppyorBsigeh.StW s2liin0d/0e224s-f2o0r1.1NEATsp3o.s5eCPliteynLt tPdr.ofile 5.2
河 南
第五讲 光栅传感器
工
业
一、光栅的种类和结构
职
二、光栅传感器的构成
业 技
Eva三lu、a莫tio尔n 条on纹ly的. 形成原理及特点
ted术with Aspose.Slide四s 、fo莫r .尔NE条T纹3测.5量C位lie移nt Profile 5.2
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二、光栅传感器的构成
对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移 动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角 位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。
光栅传感器结构为：Evaluation only. ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2
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四、莫尔条纹测量位移
光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一 个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可 得出光栅的位移量。
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放大倍数可通过改变θ角连续变化，从而获得任 意粗细的莫尔条纹，即光栅具有连续变倍的作用。
3）均化误差作用
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，
对光栅的刻线E误va差lu有a平tio均n 作on用ly。. ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2
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通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可 由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
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读数头）；将具有细分辨向的差补器、计数器
ted w和装it由置h A步装s进在po电一s机个e.、箱SlE打内idve印，asl机常ufao或称trio绘为.Nn图数EoT机字nl3等显y..5组示C成器li的。en受t 控Profile 5.2
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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
侧的光电转换元件的E输v出a，lu可at以io用n only.
ted光w栅ith位A移s量pXo的s正e.弦S函lid数e表s示fo，r 如.NET 3.5 Client Profile 5.2
ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 C标o尺p光y栅r相i角g对方指h向示t 光2栅0的0转4-2标0尺1光方1栅向移A动spo莫s尔e条纹P移t动y方L向td.
顺时针方向
向左 向右
向上 向下
逆时针方向
向左 向右
向下 向上
2）光学放大作用
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图5-5-5 光栅传感器电流型输出信号 (a)正弦信号;(b)整形后的信号;(c)5倍频处理后的信号
六、辨向技术
如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中， 无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相 同的正弦信号，无法分辨位移的方向。
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
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切削刀C具opyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.
C-数3o所Np（示y等。rig于只h莫要t 2尔测0条量0纹波4-移形2动变01数化1）Aspose Pty Ltd.
就可知道光栅的位移量X，其数学
表达式为
图5-5-3 光电元件输出与光栅位移的关系
X=N·W
在实际装置中常将光源、计量光栅、光电
转换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅
光源
计量 光栅
光电 转换
前置 放大
细分 辨向
计数
受控 装置
传感器
数字显示器
3自由度光栅数显表
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要C能o够py转ri换gh成t 位20移04的-2物0理11量A，sp如o速se度P、ty加L速td度. 、
振动、变形等，均可测量。
1、光栅的类型
通常是由在表面上按一定间 透射式光栅 隔制成透光和不透光的条纹
光栅
的玻璃构成
Evaluatio在n金o属n光ly.洁的表面上按一定 ted with Aspose.S反li射de式s光fo栅r .间N隔E制T成3全.5反C射li和en漫t反P射ro的file 5.2
过去C，o形py成r一ig条ht暗2带00；4-而2亮011 Aspose Pty Ltd.
条与亮条重合的地方，部分
光线得以通过，形成一条亮
带 。这种亮带与暗带形成的 条纹称为莫尔条纹。
图5-5-2 莫尔条纹
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由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ 较小时，可使θ<<1，则B>>W。
ted with＝A0.s0如0p：0o2s长9 e光r.aS栅d，lEi在d则ve一a：s毫luBf米=ao0tr内.io0.刻N1n/E线0o.T为0n0l130y02..095条≈C，3.liθ4e4n＝mmt，1P0 rofile 5.2 放C大o3p4y4倍rig。ht 2004-2011 Aspose Pty Ltd.
黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均 匀地刻上许多明暗相间，宽度相同的透光线，称为栅线。 设栅线宽为a，线间缝宽为b，a+b=W称为光栅节距(栅距)。