光栅式传感器
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第五节
光栅传感器
一、光栅的种类和结构
二、光栅传感器的构成 三、莫尔条纹的形成原理及特点 四、莫尔条纹测量位移 五、细分技术
六、辨向技术
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 机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测 以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只 要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、 振动、变形等，均可测量。
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。
图5-5-2 莫尔条纹
B
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W /2 sin B 2
所以，
B
W /2 sin
当θ很小时，
sin
2
2
2
则有 B
W
百度文库
（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
3、莫尔条纹的特点
1）莫尔条纹的移动方向与光栅夹角有对应关系 当主光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿着 夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动
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 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
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
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。
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。如图5-5-4所 示。
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。
缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
图5-5-4 四细分
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
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
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具
被加工工件 光栅扫描头 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， 经过信号调节环节对信号进行细分.
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。
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。
在相距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。
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。
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
长光栅
圆光栅
3、栅距
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)。
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。
返
回
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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。
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 的玻璃构成 在金属光洁的表面上按一定 反射式光栅 间隔制成全反射和漫反射的 条纹。 长光栅 光栅 圆光栅 测量角位移的光栅为圆形 测量线位移的光栅为矩形并随被 测长度增加而加长
光栅
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
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
细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出
一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当 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
光栅传感器
一、光栅的种类和结构
二、光栅传感器的构成 三、莫尔条纹的形成原理及特点 四、莫尔条纹测量位移 五、细分技术
六、辨向技术
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 机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测 以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只 要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、 振动、变形等，均可测量。
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。
图5-5-2 莫尔条纹
B
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W /2 sin B 2
所以，
B
W /2 sin
当θ很小时，
sin
2
2
2
则有 B
W
百度文库
（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
3、莫尔条纹的特点
1）莫尔条纹的移动方向与光栅夹角有对应关系 当主光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿着 夹角θ平分线（近似平行于栅线）方向移动
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 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
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
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。
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。如图5-5-4所 示。
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。
缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
图5-5-4 四细分
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
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
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具
被加工工件 光栅扫描头 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， 经过信号调节环节对信号进行细分.
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。
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。
在相距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。
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。
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
长光栅
圆光栅
3、栅距
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)。
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。
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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。
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 的玻璃构成 在金属光洁的表面上按一定 反射式光栅 间隔制成全反射和漫反射的 条纹。 长光栅 光栅 圆光栅 测量角位移的光栅为圆形 测量线位移的光栅为矩形并随被 测长度增加而加长
光栅
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
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
细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出
一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当 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