第10章数字式传感器

第十章、数字式传感器

目前各种数字显示的非电量检测装置巳广泛使用。

在机械制造工业中应用得比较成熟的是光栅、磁栅、感应同步器等为传感元件的数字测量仪器。

这些数字式测量仪器具有检测精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用方便等优点；

第一节、光栅式传感器

利用光栅的衍射现象，把光栅应用于光谱分析、测定光披的波长等方面。

利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，开始应用于机床和计算仪器上。

由于光栅具有结构原理简单、计量精度高等优点，受到重视和推广。

光栅传感器，成功地作为数控机床的位置检测元件，并用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度、振动等方面的测量。

一、光栅传感器的结构：

光栅传感器由：照明系统、光栅副、光电接收元件所组成；如图10-1所示。

1光源、2透镜、3主光栅、4指示光栅、5光电元件

图10-1透射光栅传感器光路

1、照明系统：

照明系统由：光源和透镜构成；

光源：钨丝灯泡、砷化镓发光二极管。

透镜：将光源发出的光转换成平行光。

2、光栅副：

光栅副由主光栅和指示光栅构成；

主光栅又叫标尺光栅是测量的基准。常用高于白玻璃制作。主光栅的有效长度由测量范围决定。一般主光栅比指示光栅长。

指示光栅用光学玻璃，其长度只要能产生测量所需的莫尔条纹即可。

主光栅与指示光栅具有相同的栅距的栅线。

在测量位移时，主光栅往往固定在机床床身上不动，指示光栅随拖板一起移动。在测量角位移时，指示光栅一般固定不动，主光栅随机床的主轴一起移动。

光栅副是光栅传感器中的主要元件。整个测量系统的精度主要由主光栅的精度精度来决定。

安装时主副光栅互相重叠并错开一个小角度θ，以便获得莫尔条纹。

2、计量光栅：在长度测量中应用的光栅通常称为计量光栅。

1）、计量光栅按其形状和用途可分为：长光栅和圆光栅两类；

⑴、长光栅：长光栅用于测量长度；要求光栅的刻线相互平行。如图

10-2a

图10-2长光栅与圆光栅示意图

1

(a)(b)

W

2

2

1

I a

b

图10-3透射圆光栅示意图

圆光栅按其圆周内线纹数不同，圆光栅分成三种：

①、六十进制：如：10800线、21600线、32400线、64800线、 ②、十进制：如：1000线、2500线、5000线、 ③、二进制：如：512线、2040线、2048线、 圆光栅有两种：径向光栅和切向光栅

径向光栅：其栅线的延长线全部通过圆心，如图10-3a 所示； 切向光栅：其全部栅线与一个同心小圆相切，如图10-3b ； 此小圆的直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。

a)径向光栅 b)切向光栅

图10-3、圆光栅结构示意图

3、光栅根据光线的走向：

又可分成透射光栅、反射光栅。

⑴、透射光栅：

透射光栅的栅线刻制在透明材料上，主光栅常用工业白玻璃，指示光栅最好用光学玻璃。⑵、反射光栅：

反射光栅其栅线刻制在具有强反射能力的金属(如不锈钢)上或玻璃所镀金属膜上。

4、光栅根据栅线的形式分：

又可以分成黑白栅（幅值光栅）、闪耀光栅（相位光栅）。

⑴、长光栅中有：黑白栅和闪耀光栅；两者都有透射的和反射的。

圆光栅中一般只有黑白栅，主要透射光栅。

⑵、黑白光栅：

黑白透射光栅：黑白透射光栅是在玻璃上刻制成一系列平行等距离的透光缝隙和不透光栅线；

黑白反射光栅：黑白反射光栅是在金属镜面上刻成反射和漫射间隔相等的栅线

黑白光栅栅距：相邻两栅线之间的距离为：W=a+b W称为光栅常数（光栅栅距）；

a为栅线宽度；b为栅线缝隙宽度；

栅线密度：ρ=25～250线/mm

黑白光栅的栅线密度一般有：25线/、50mm线/mm、100线/mm、250线/mm四种。

闪耀光栅的栅线密度一般有：150～2400线/mm

⑶、闪耀光栅：

闪耀光栅的栅线形状：如图10-5：

闪耀光栅的透射光栅直接在玻璃上刻划而成，反射光栅刻划在玻璃的金属膜上；

栅线密度：ρ=150～2400线/mm。

a)不对称型 b)对称型

W为光栅常数；栅线形状有对称型和不对称型；

4、光电接收元件：

其作用是将光栅副形成的莫尔条纹的明暗变化转换为电量输出。一般采用光电三极管。

二、光栅的工作原理

1、莫尔测试技术

莫尔(Moire)一词在法语中的原意是水波纹或波状花纹。当薄的两层丝绸重叠在一起并做相对运动时，则形成一种漂动的水波形花样，当时就将这种有趣的花样称为莫尔条纹。

一般来说，任可两组(或多组)有一定排列规律的几何线簇的叠合，均能产生按新规律分布的莫尔条纹图案。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，根据条纹形态来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性，从而开创了莫尔测试技术。

随着光刻技术和光电子技术水平的提高，莫尔技术获得较快发展，在位移测试、数字控制、伺服跟踪、运动比较等方面有广泛的应用。

⑴、莫尔测试技术基础

任何两组(或多组)几何线簇的叠合均能产生按新规律分布的莫尔条纹。

在莫尔测试技术中，通常利用两块光栅(称为光栅付)或光栅的两个像的重叠产生莫尔条纹，以获取各种被测量的信息。因此，有必要先讨论莫尔条纹的形成原理，即讨论什么样的光栅在什么样的叠合情况下，会形成什么样的莫尔条纹。

①、几何光学原理

莫尔条纹的形成，实质是光通过光栅时光的衍射和干涉的结果。

如果在莫尔测试技术中试用的光源为非相干光源，光栅为节距较大的黑白光栅，光栅付栅线面之间间隙较小时，按照光是直线传播的几何光学原理，利用光栅栅线之间的遮光效应来解释莫尔条纹，推导出光栅付形成，并推导出光栅付结构参数与莫尔条纹几何图形的关系。

栅线遮光原理

当两块黑白线光栅相互叠合时，如果两线光栅的节距不同，或栅线方向不同，或节距与栅线不同时，均可形成莫尔条纹。

如图所示为两节距较大的粗线光栅重叠形成莫尔条纹原理图。

当一块光栅的栅线(不透光部分)叠合在另一块光栅的缝隙位置时，在这个位置上将没有或很少有光线透过，此位置最暗。而在两个线光栅栅线互相叠合的区域或两个线光栅栅线交点区域，光栅透光部分有遮挡，则透光面积最大，此位置最亮。若将最暗位置和最亮位置分别连起来，则形成最暗或最亮带，即莫尔条纹。

原则上莫尔条纹可用亮纹表示，也可用暗纹表示，但实际莫尔条纹常用亮纹表示。

由以上遮光原理的分析可见，莫尔条纹的分布，其几何形态、条纹间距及条纹方位等均可由两光栅