5.4光栅尺位移传感器
光栅尺位移传感器
光栅尺位移传感器引言光栅尺位移传感器是一种用于测量物体位移或位置的传感器。
它通过测量光栅尺上的光信号变化，来确定物体的位移。
光栅尺位移传感器具有高精度、高分辨率的特点，广泛应用于机床、机械设备、电子设备等领域。
本文将介绍光栅尺位移传感器的原理、结构、工作原理以及应用领域，并对其主要优点和局限性进行讨论。
原理光栅尺位移传感器基于光电效应，利用光栅尺上的光栅来实现位移的测量。
光栅是由若干条黑白相间的线条构成的，当光线透过光栅时，根据光的衍射原理，会出现光的干涉现象。
这种干涉现象会导致光信号的变化，通过测量这种变化，可以确定物体的位移。
结构光栅尺位移传感器主要由光栅尺、光源、光敏元件和信号处理电路组成。
•光栅尺：光栅尺是光栅尺位移传感器的核心部件，它由若干条黑白相间的线条组成。
光栅尺的精度和分辨率决定了传感器的性能。
•光源：光源用于提供光线，通常使用激光二极管或LED作为光源。
•光敏元件：光敏元件用于接收光栅上的光信号，并将其转换为电信号。
常用的光敏元件有光电二极管、光电三极管等。
•信号处理电路：信号处理电路用于接收和处理光敏元件输出的电信号，从而得到物体的位移信息。
工作原理光栅尺位移传感器的工作过程如下：1.光源照射：光源照射在光栅尺上，形成光线。
2.光线透过光栅：光线透过光栅，经过光栅的衍射和干涉，形成一系列光斑。
3.光斑接收：光敏元件接收光栅上的光斑，将光信号转换为电信号。
4.信号处理：信号处理电路接收和处理光敏元件输出的电信号，将其转换为位移信息。
通过对光敏元件输出电信号的测量和处理，可以获得物体的位移信息。
应用领域光栅尺位移传感器在许多领域中广泛应用，包括但不限于以下几个方面：•机床：光栅尺位移传感器用于测量机床的移动轨迹，实现机床的精确控制和定位。
•机械设备：光栅尺位移传感器用于测量机械设备的运动轨迹，如工业机器人、印刷机等。
•电子设备：光栅尺位移传感器用于测量电子设备的位移，如光学阅读器、光学存储器等。
大位移传感器
图5-9 （a） 莫尔条纹的形成； （b） 莫尔条纹的宽度
2. 莫尔条纹的宽度
横向莫尔条纹的宽度B与栅距W和倾斜角θ之间的关系， 可由图5-9（b）求出（当θ角很小时）：
sin
t
U2
kΦm
cos
2π
sin t
由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，
而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高，因此可将多个
磁头以一定的方式串联起来形成多间隙磁头，如图9－88所示。
图9－87 双磁头结构
图9－88 多间隙磁头
磁栅测量系统
磁尺
磁头 压板
磁栅在磨床测长系统中的应用
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5-10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
四、直线感应同步器
感应同步器的优点（续）
③使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互 不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕 油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需 装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。
④可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要， 将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍 低于）单个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床 工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。 ⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
光栅位移传感器
光栅尺位移传感器
GWC系列光栅位移传感器
长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移
长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源 和光电器件等组成。
主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的 直线位移而产生移动，其长度取决于测量范 围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光 栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。
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。从而实现高灵敏的位移 测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误 差的作用
光栅位移传感器的应用 ❖ 光栅位移传感器： ❖ 测量精度高（分辨率为0.1μm）， ❖ 动态测量范围广（0～1000mm）， ❖ 可进行无接触测量， ❖ 容易实现系统的自动化和数字化。 ❖ 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
Um
U U 0 Um sin 2x
WHale Waihona Puke o W/2 W 3W/2 2W
x
光栅位移传感器的结构原理图
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7-7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。
简述光栅位移传感器的工作原理及其工作特点
简述光栅位移传感器的工作原理及其工作特点嘿，大家好呀！今天咱来唠唠这个光栅位移传感器，这可是个有点厉害的小家伙呢！那它的工作原理是咋回事呢？其实就像是一个超级细心的记录员。
想象一下，有一条带着很多小刻度的尺子，这尺子就是光栅啦，然后光线在这尺子上不断跳动，通过对光线的检测和计算，就能知道物体移动了多少距离。
是不是挺神奇的？就好比你走路，它能精确地算出你走了几步，走了多远。
要说它的工作特点呀，那可真是不少呢！首先呢，它超级精确，简直就是测量界的“福尔摩斯”，一点点细微的位移都逃不过它的“法眼”。
不管是头发丝那么细的移动，还是大物件的大幅移动，它都能准确捕捉到。
这精度，就像你妈能在一群熊孩子里一眼就认出你来一样厉害。
而且呀，它还很稳定可靠。
就像咱家里那个老闹钟，天天准时响，从来不出岔子。
不管是在恶劣的环境下，还是被折腾来折腾去，它都能稳稳地工作，持续输出准确的数据，绝不会关键时刻掉链子。
它响应速度还特别快，就像闪电侠一样。
物体刚一动，它就能立马感知到并给出结果，绝不拖泥带水。
另外呢，它还很“皮实”，不容易坏。
不像有些“娇气包”，碰一下就发脾气不工作了。
嘿，你可别小瞧了这个小传感器，它在很多领域可是大英雄呢！比如在工业生产中，能精确控制机器的运动，让生产更高效；在科研领域，帮助科学家们获得精准的数据，推动科技进步。
它就像是一个默默奉献的小卫士，虽然不起眼，但却发挥着大作用。
总之，光栅位移传感器就是个厉害又靠谱的小家伙，有了它，很多事情都变得轻松又准确啦！怎么样，是不是对它有点刮目相看了呢？咱也得感谢科技的力量呀，让我们的生活变得更智能、更便捷。
好啦，今天就和大家分享到这儿，下次再见咯！。
光栅位移传感器原理
光栅位移传感器原理光栅位移传感器是一种常用的测量和控制设备，它能够精确地测量物体的位移，并将其转化为电信号输出。
光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
在工业自动化、机械加工、航空航天等领域都有广泛的应用。
光栅位移传感器主要由光栅、光源、光电传感器和信号处理电路等组成。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，光电传感器接收到光栅上的光斑信号，并将其转化为电信号输出。
信号处理电路对电信号进行放大、滤波和数字化处理，最终得到位移的测量结果。
光栅位移传感器的原理基于光栅的周期性结构。
光栅是一种具有周期性光透过结构的光学元件，其上有一系列平行的透光和不透光的条纹。
当光线照射到光栅上时，透光和不透光的条纹会产生光学干涉现象，形成一系列光斑。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，通过测量光斑的移动距离和数量，就可以计算出被测物体的位移。
光栅位移传感器具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，能够实现对微小位移的测量。
在工业自动化领域，光栅位移传感器常用于机床、数控机械、机器人等设备的位移测量和控制。
在航空航天领域，光栅位移传感器也被广泛应用于飞行器的姿态控制和导航系统中。
除了在工业和航空航天领域的应用外，光栅位移传感器还被广泛应用于科学研究和医疗设备中。
在科学研究领域，光栅位移传感器常用于粒子加速器、核物理实验等领域的位移测量和控制。
在医疗设备中，光栅位移传感器常用于医学影像设备的位移测量和图像重建。
总之，光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
它具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，被广泛应用于工业自动化、航空航天、科学研究和医疗设备等领域。
随着科学技术的不断发展，光栅位移传感器将会有更广阔的应用前景。
光栅位移传感器原理及使用方法
光栅位移传感器原理及使用方法光栅位移传感器是一种常见的测量设备，通过利用光学原理来测量物体的位移或位置变化。
它能够实时、精确地测量物体的位置，并将测量结果转换为电信号输出。
在许多领域中，如机械制造、自动化控制、航天航空等，光栅位移传感器都发挥着重要作用。
光栅位移传感器的原理是利用光的衍射现象。
它由一个固定的光源和一张带有光栅的光学元件构成。
当物体移动时，它所接收到的光栅光的衍射图样也会随之发生变化。
这些变化可以被传感器捕捉到，并转化成电信号输出。
通过分析和处理这些电信号，我们可以得到物体位移或位置变化的信息。
使用光栅位移传感器时，首先需要将传感器固定在被测量物体上。
然后，将传感器与电源和数据采集设备连接好。
在连接完成后，我们可以通过设备上的控制面板或软件设置一些参数，如灵敏度、采样率等。
在实际测量中，首先需要对传感器进行校准。
一般来说，校准是在已知物体位移的情况下进行的。
通过将传感器测量值与实际位移进行对比，可以得出一个校准曲线或公式。
这样，在未知位移的情况下，传感器就可以通过测量值计算出物体的位移或位置。
在光栅位移传感器的使用中，要注意一些关键点。
首先，传感器要与被测量物体保持良好的接触和固定，以避免测量误差。
其次，传感器的工作环境要尽量避免干扰，如强光、震动等，以确保测量精度。
另外，定期对传感器进行检测和维护，可以延长其使用寿命和保持测量精度。
总之，光栅位移传感器是一种准确、可靠的测量设备。
它的原理基于光学衍射，通过捕捉光栅图案的变化来测量物体的位移或位置变化。
在使用光栅位移传感器时，需要进行校准，并注意传感器与被测物体的良好接触、工作环境的干扰以及定期检测和维护。
通过合理使用和管理，光栅位移传感器可以为各个领域的测量需求提供准确和可靠的数据支持。
光栅位移传感器.ppt
? 请问莫尔莫尔条纹测位移具有哪三个特点？
W2
W2 W
BH ?
?
sin
?
?
2
B
C A
BH BH
θ越小，BH越大，这相当于把栅距 W 放 大 大 了 1/θ 倍 。 例 如 θ=0.1° ， 则 1/θ≈573 ，即莫尔条纹宽度 BH是栅距 W 的573倍， 这相当于把栅距放大了 573倍， 说明光栅具有位移放大作用 ， 从而提高 了测量的灵敏度。
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
m
U
U ? U 0 ? U m sin 2 ? x
W
o
x
W/2
W
3W/2 2W
光栅位移传感器的结构原理图
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7-7所示。
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。从而 实现高灵敏的位移 测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误 差的作用
光栅位移传感器的应用 ? 光栅位移传感器： ? 测量精度高（分辨率为 0.1μm）， ? 动态测量范围广（0～1000mm）， ? 可进行无接触测量， ? 容易实现系统的自动化和数字化。 ? 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
莫尔条纹（ Moire）
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
条纹宽度： B ?
W
W ?
2 sin( ? / 2 ) ?
光栅尺位移传感器的结构是怎样的呢
光栅尺位移传感器的结构是怎样的呢简介光栅尺位移传感器是一种高精度的位移测量设备。
它利用光栅尺的原理，通过光孔的光电转换来实现非接触式的位移测量。
在工业生产、科学研究等领域中，光栅尺位移传感器具有广泛的应用。
结构光栅尺位移传感器的结构主要由两部分组成，分别是光栅尺和传感器控制模块。
光栅尺光栅尺是光栅尺位移传感器中的核心部件，是用来产生光学信号的元件。
光栅尺结构主要由刻有均匀的光栅条，以及运动的目标体组成。
其中，光栅条是由一系列均匀的透明和不透明条纹组成，并且透明和不透明的比例严格相等。
当光线照射到光栅条上时，光线会通过透明的条纹，而被不透明的条纹阻挡，形成周期性的光信号。
因此，光栅尺的位移测量主要是基于光信号的产生和检测。
目标体则是指光栅尺作为测量设备时，测量目标物体的表面运动状态。
在运动过程中，目标体的位移会产生光信号的变化。
通过检测光信号的变化，就可以测量出目标体的位移。
传感器控制模块传感器控制模块主要负责对光栅尺产生的光信号进行检测和处理，并输出相应的位移测量信息。
传感器控制模块结构一般由光学检测系统、信号处理模块和数据接口组成。
光学检测系统主要是用来接收光栅尺产生的光信号，并将光信号转换为传感器可以接受的电信号。
通常采用光电二极管接收光辐射，并将其转换为电信号输出。
信号处理模块则是对接收到的电信号进行处理和放大，以保证位移测量的稳定性和准确性。
信号处理模块通常包括运算放大器、滤波器和模数转换器等功能单元。
最后，数据接口是用来将传感器测量出的电信号转换为数字信号，并输出到计算机或其他设备中。
数据接口主要包括模拟转换器、串口通信模块等。
工作原理光栅尺位移传感器的工作原理与其结构密切相关。
当目标体发生位移时，会使相对于光栅尺的光线发生相对位移，进而产生光信号的变化。
这一变化可以转换为与目标体运动距离成比例的电信号输出，从而获取目标体的位移信息。
整个位移检测过程中，光栅尺的光学信号起着关键作用，而光学检测系统和信号处理模块则是保证测量精度的重要因素。
光栅位移传感器的工作原理
光栅位移传感器的工作原理光栅位移传感器是一种常用的测量设备，通过光栅原理来实现对物体位移的测量。
它的工作原理是利用光栅上的刻线来进行位移测量的。
光栅位移传感器由光源、光栅、物体和接收器组成。
光源发出的光线经过凸透镜聚焦后照射到光栅上，光栅上的刻线会对光线产生衍射。
物体的位移会导致衍射光的相位发生变化，这种相位变化会被接收器接收到并转化为电信号。
光栅位移传感器的工作过程可以分为两个步骤：光栅的衍射和接收器的信号处理。
首先是光栅的衍射过程。
光栅上的刻线间距非常小，通常在几微米到几十微米之间。
当光线照射到光栅上时，根据光栅的刻线间距和入射角度，会产生不同的衍射角度。
衍射角度的大小可以通过光栅的刻线间距和光波波长来计算得到。
当物体发生位移时，光线照射到光栅上的位置也会发生变化，进而改变了衍射角度。
接下来是接收器的信号处理过程。
接收器接收到经过光栅衍射后的光线，将其转化为电信号。
通常，接收器会采用光电二极管或光敏电阻等光电转换器件来完成这一过程。
接收器输出的电信号会随着物体位移的变化而发生变化。
为了准确测量位移，光栅位移传感器通常会采用差分原理。
差分原理是通过将光栅分成两个相邻的部分，分别与两个接收器相连。
当物体发生位移时，两个接收器接收到的光信号会有所不同。
通过对这两个信号进行差分运算，可以得到位移的准确值。
差分原理可以有效地消除光源强度的变化和环境光的干扰，提高测量的精度和稳定性。
光栅位移传感器具有高精度、高灵敏度和快速响应的特点，广泛应用于工业自动化、机械加工、机器人控制等领域。
在机械加工中，光栅位移传感器可以用来测量工件的长度、直径和位置等参数，实现精确的加工控制。
在机器人控制中，光栅位移传感器可以用来测量机器人末端执行器的位置和姿态，实现精准的运动控制。
光栅位移传感器通过光栅原理实现了对物体位移的测量。
它的工作原理是利用光栅上的刻线对光线进行衍射，通过接收器将衍射光转化为电信号，并经过差分运算得到位移的准确值。
知识点5光栅位移传感器光路组成
光栅尺的光路组成
透镜 光源 主光栅 指示光栅 光电元件
光栅副 光 路
Z轴光栅尺：
左图机床有两根主轴
两根主轴(S1，S2）各
有一个光栅尺，位于 主轴的外侧
Y轴光栅尺：
机床Y轴（Y‘1， Y’2)有两个光 栅尺，分别在机 床两侧
X轴光栅尺：
机床的X轴有一根光栅尺同时测量两根主轴，位于两根主轴的下面。
A轴回转编码器：
机床的A轴做翻转运动， A轴（A’1,A’2)有两 个回转编码器，位于A 轴两侧
转台CL轴回转编码器：
CL轴为转台的旋转 轴，由伺服电机 （位于转台中心） 控制，回转编码器 反馈给系统。
转台WL轴回转编码器：
WL轴为机床转台的 导轨，由一个伺服
电机（在导轨的边
缘保护罩里面）控 制。由回转编码器 将数据传回系统。
主讲：XXX 学校：XXX 转刀盘回转编码器：机床有四个刀盘，刀盘的旋 转轴（Q1，Q2,E1，E2）由 一个伺服电机（位于刀盘后 侧）伺服电机控制，电机后 面有一个回转编码器将数据 传给系统。
机械手回转编码器：
换刀机械手的旋转轴有 一个伺服电机（机械手 后侧），控制机械手的 旋转，数据由回转编码 器传回系统。
项目十 光栅传感器在数控设备中的作用
项目十 光栅传感器在数控设备中的作用
主讲：XXX 学校：XXX
光栅尺位移传感器
光栅尺定义
光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学 原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用 于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直 线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉 冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检 测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运 动误差的作用。
光栅位移传感器结构和工作原理
光栅位移传感器结构和工作原理今天来聊聊光栅位移传感器结构和工作原理的事儿。
你知道那种百叶窗吗？一格一格的，光栅位移传感器在结构上呀，就有点像百叶窗的感觉。
光栅位移传感器主要由光源、透镜、光栅尺（主光栅和指示光栅）、光电接收元件等组成。
光栅尺上有等间距、细密的刻线，就像百叶窗上的条条框框一样规则排列着。
说到它的工作原理，这可非常有趣。
我们先来讲个小故事吧。
我之前研究这个的时候，发现这就像是一个捉迷藏的游戏。
光源就像是躲起来的小孩，光照到主光栅上，主光栅把光遮挡、透过的部分形成明暗条纹，这些条纹就像是特殊的标记。
当指示光栅与主光栅相对移动的时候，这种透光和遮光的情况就会发生变化。
光电接收元件呢，就像一个视力很好的追查者，它能敏锐地察觉到这种透光和遮光情况的改变，然后把这种光信号转化成电信号。
打个比方，这就好像你在数百叶窗一格一格地移动了多少一样，光电接收元件就是准确数着光栅移动情况的那个，然后把这个“数”通过电信号告诉处理部分。
有意思的是，光栅位移传感器因为能够精确地把位移量转化为电信号，所以在机床加工中被大量使用。
比如说，在给一些精密零件加工造型的时候，它能精确测量刀具移动的距离，确保零件尺寸精准。
老实说，我一开始也不明白为什么光栅要刻那么细密的线，这有多高的要求呢？后来才了解到，刻线的精细程度很大程度上决定了测量的精度，就像尺子上的刻度越精细，你量东西就越准。
这里要给大家解释一个专业术语“莫尔条纹”。
主光栅和指示光栅相对移动时，就会产生莫尔条纹。
莫尔条纹在这个传感器里有着非常重要的地位，它有着放大作用。
你可以想象一下，就像一个小小的变化，通过莫尔条纹这个放大镜，让传感器更容易察觉到光栅微小的位移。
说到这里，你可能会问，那这个传感器有没有什么使用时要注意的地方呢？当然有啦。
它对工作环境要求比较高，比如说不能有太多灰尘，不然灰尘可能会遮住光栅的刻线，就像窗户上有污渍会妨碍我们看外面一样。
另外，在安装的时候也要特别小心，要确保光栅尺安装的平行度等要求满足，要不然就像是给尺子斜着放，测量肯定就不准了。
光栅位移传感器二十细分电路设计
数字传感器的应用今天随着计算机的飞速发展以及单片机的日益普及，世界进入数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是电脑，具有输出信号便于电脑处理的传感器就是所谓的数字传感器。
图0所示为数字传感器的结构框图。
本文主要介绍几种数字传感器的原理及应用。
图0 数字传感器的结构框图一光栅位移传感器二十细分电路设计1 光栅位移传感器图1所示为光栅位移传感器的原理简图，当刻线相同的两光栅片保持一定的间隙和一定的角度相对移动时，则将在与运动方向垂直的方向上产生明暗交替移动的莫尔条纹。
随着主光栅和指示光栅的相对移动，莫尔条纹相应地移过读数窗，由于两光栅片间的气隙及光栅的衍射和干涉作用，读数窗上的光电组件的输出与光栅副相对位移量的关系为一近似的正弦规律，即式中为电压信号幅值；为光栅节距；为光栅副相对位移量。
图1 光栅传感器原理简图1—光源2—聚光镜3—主光栅4—指示光栅5—光电元件2 莫尔条纹的产生及测量原理光栅测量是利用光栅迭合时所形成的莫尔条纹及其变化来实现的。
两块相同的长光栅（图2a）迭合，如果栅线间夹角θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹（图2ｂ）。
当θ很少时，莫尔条纹的方向与光栅条纹方向近似垂直。
图（a）长光栅的结构图（b）莫尔条纹的形成图2 光栅及莫尔条纹的形成莫尔条纹的宽度：（1 ）光栅常数ｄ＝ａ＋ｂ。
莫尔条纹的移动量Ｘ与光栅间相对位移ｘ之间的关系为：Ｘ＝ｎ·ｘ（ 2 ）其中ｎ＝１／2ｓｉｎ（θ／2）为放大倍数。
当θ小于5°时，莫尔条纹间距Ｗ将远大于光栅栅距ｄ。
这一结果在实用上非常重要，给测量带来极大方便。
3 光栅测量系统组成及工作原理光栅测量系统由光栅传感器、光栅信号放大及整形电路、莫尔条纹信号辨向及其细分电路组成：其中：光栅传感器产生０与π，π/2与3π/2两组信号分别经过差动放大与整形器整形后，，输出脉冲信号，然后经过倍频与细分电路进行计数。
3.1 差动放大电路图3为差动放大电路，光栅传感器产生信号为U1=Um Sin2π/W，送入差动放大器进行交变信号的放大。
光栅尺工作原理
光栅尺位移传感器原理简介及维护注意事项一、光栅尺是什么？轨道旁边的黄色金属条，与其对应部位，在移载台底部装有光读头定义：光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。
光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。
其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。
二、光栅尺的分类、构造1）分类：光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。
●透射光栅指的玻璃光栅.●反射光栅指的钢带光栅2）结构：光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。
标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。
下图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。
三、光栅尺的工作原理常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。
（关于莫尔条纹的原理，可参考相关文献）简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。
莫尔条纹四、光栅尺的维护1）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。
2）定期检查各安装联接螺钉是否松动、定期使用干燥的洁净布擦拭表。
3）光栅尺位移传感器严禁剧烈震动及摔打、踩踏，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅尺传感器即失效了。
4）不要自行拆开光栅尺位移传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。
5）应注意防止油污及水污染、硬物划伤光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。
6）光栅尺位移传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。
德国海德汉LC485ML1540MM620MM光栅尺特点
德国海德汉LC485ML1540MM/620MM光栅尺特点德国海德汉LC485ML1540MM/620MM光栅尺德国进口HEIDENHAIN海德汉原装现货优势供应商，常规型号旋转编码器，角度编码器，长度计，读数头仓库现货库存！！德国HEIDENHAIN海德汉公司用于数控机床的直线光栅尺几乎可以适应任何应用。
它是全部进给轴为伺服掌控环掌控的机器和设备的好的选择，例如铣床、加工中心、镗床、车床和磨床。
直线光栅尺的动态性能优点，允许的运动速度高，沿测量方向的加速性能使其不仅能充足常规轴高动态性能要求，也能充足直接驱动电机的高动态性能要求。
直线光栅尺优点直线光栅尺测量直线轴位置过程期间没有任何其它机械传动件。
用直线光栅尺的位置掌控环中包括全部进给机构。
机械运动误差被滑板中的直线光栅尺检测和被掌控系统电路修正。
因此它能除去潜在多项误差源。
滚珠丝杠温度特性导致的误差、反向误差、滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差因此，直线光栅尺是***和高速加工机床的基础技术手段。
NC数控机床用直线光栅尺用于数控机床的海德汉直线光栅尺几乎适用于任何应用。
它是全部进给轴为伺服掌控环模式的机器和设备的选择，例如铣床、加工中心、镗床、车床和磨床。
直线光栅尺的动态性能优点，允许的运动速度高，沿测量方向的加速性能使其不仅能充足常规轴高动态性能要求，也能充足直接驱动电机的高动态性能要求。
紧凑外壳直线光栅尺紧凑外壳的直线光栅尺设计用于安装空间有限的地方。
假如测量长度较大和加速负荷较大，可能需要使用安装板或固定件。
精度等级测量长度ML增量信号信号周期肯定位置值型号高安全性应用的式直线光栅尺5μm3μm70mm至2040mmEnDat2.2/22DQ01LC415LC495S式位置测量？玻璃光栅尺5μm3μm70mm至2040mm1Vpp；20μmEnDat2.2/22EnDat2.2/02DQ01Fanuc05Mit0304LC415LC485LC495SLC495FLC495M高重复精度的增量式直线测量？钢带光栅尺小信号周期5μm3μm50mm至1220mm1Vpp；4μmLF485增量式直线测量？玻璃光栅尺5μm3μm70mm至2040mm1Vpp；20μmTTL；至1μmLS487LS477标准外壳直线光栅尺标准外壳直线光栅尺突出特点是结构坚固、抗振本领强和测量长度大。
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5.4光栅尺位移传感器
直线透射式光栅 • 1. 组成 • 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度 相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长 度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装 在机床的移动部件上。
5.4光栅尺位移传感器
直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。
透射式光栅检测装置
反射式光栅检测装置
光栅尺外形如图1所示，它由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组 成，如图2所示。其中光源供给光能；聚光镜将光源发出的光转换成平行光；主光 栅与指示光栅构成光栅副，光栅副是光栅尺传感器的核心，它决定了光栅尺的精度
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
5.4光栅尺位移传感器 莫尔条纹具有如下特点：
• 由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ ，由于θ 很小（小于 10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01 ㎜，θ =0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂 的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度， 从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。 起均化误差作用。莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10 ㎜，当W=0.01㎜时， 10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此， 制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以， 莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平 均效应。 莫尔条纹的变化规律。长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动 一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化 一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多 少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。
光栅位置检测装置的组成 1—光源 2—透镜 3—标尺光栅4—指示光栅 5—光电元件
5.4光栅尺位移传感器
2. 工作原理 在测量时，长短两光栅尺 面相互平行地重叠在一起， 并保持0.01至0.1mm的间隙， 指示光栅相对标尺光栅在自 身平面内旋转一个微小的角 度θ 。当光线平行照射光栅 时，由于光的透射和衍射效 应，在与两光栅线纹夹角θ 的平分线相垂直的方向上， 会出现明暗交替、间隔相等 的粗条纹——莫尔条纹，如 图所示。
5.4光栅尺位移传感器
• 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅 距为W，则
• 因为θ 很小，则
B
W 2 sin
2
• 由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。 B
W
5.4光栅尺位移传感器
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
速度测量 位置测量
5.4光栅尺位移传感器
机床上光栅尺
对于机床控制而言，光栅尺常常应用于以下场合： 1、高精密机床：提高加工精度，提升产品的品质； 2、大型机床，如：大型龙门、卧加、镗铣床等； 使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减 小温度变化带来的形变误差； 3、采用直驱技术的新型电机：直线电机等。
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
5.4光栅尺位移传感器
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
第五章 机械位移传感器
5.4 光栅尺位移传感器
5.4光栅尺位移传感器
2学时
目录 一、教学内容 1、光栅尺组成 2、光栅尺工作原理 3、光栅的辨向与信号处理 4、光栅的特点 5、光栅尺的安装 6、光栅尺的安装注意事项（自学） 7、光栅尺的维护（自学） 二、归纳总结 三、作业
5.4光栅尺位移传感器
教学目标 教 学 目 标
((1) 光栅尺的工作原理与特性； (2) 直线式光栅尺与莫尔条纹
教 学 重 点 难 点
重 点
难点
光栅尺的工作原理；
光栅尺的安装与调试
5.4光栅尺位移传感器
机床上光栅尺
直线光栅尺用于测量直线轴的移动位置。由于直接测量机械位置，
因此能够最准确的反应机床的实际位置。
对于机床控制而言光栅尺能够：
• • • 消除滚珠丝杠的反向间隙； 消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差；（大型） 消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差；
对于机床上使用的光栅尺，我们通常关注以下技术规格：
1、光栅尺的结构：钢带、玻璃； 2、光栅尺的信号类型：串行信号、方波信号、正弦波信号(1-Vpp)； 3、光栅尺的分辨率； 4、光栅尺的信号周期、倍频；
5.4光栅尺位移传感器
光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角 度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式 光栅和金属反射式光栅。 玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹 密度为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜。 条数越多，光栅的分辨率越高。 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透 光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。
5.4光栅尺位移传感器
直线透射式光栅
1、组成：由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。 长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作 台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。