莫尔条纹的形成原理及特点四PPT精选文档
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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。
14
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。
15
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。
X=N·W
17
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
18
3自由度光栅数显表
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
三、莫尔条纹的形成原理及特点
术 学
四、莫尔条纹测量位移
院
五、细分技术
电 气
六、辨向技术
工
程
系
1
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。
4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5-54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。
22
图5-5-4 四细分
23
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
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
8
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。
❖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。
21
直接细分
❖又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用
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
顺时针方向
逆时针方向
标尺光栅移动 方向 向左
向右
向左
向右
莫尔条纹移动方向 向上 向下 向下 向上
13
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。
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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。
27
24
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。
25
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。
16
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
表达式为
图5-5-3 光电元件输出与光栅位移的关系
反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
4
可移动电缆
扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
5
长光栅
圆光栅
6
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。 7
19
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
20
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.
图5-5-2 莫尔条纹
10
B
11
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W/2 sin
B
2
所以，
B
W sin
/2
2
当θ很小时， sin
22
则有B W
（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
12
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
图5-5-1光栅传感器的组成
9
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。
2
1、光栅的类型
光栅 光栅
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
反射式光栅
在金属光洁的表面上按一定 间隔制成全反射和漫反射的
条纹。
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
圆光栅 测量角位移的光栅为圆形
3
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
14
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。
15
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。
X=N·W
17
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
18
3自由度光栅数显表
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
三、莫尔条纹的形成原理及特点
术 学
四、莫尔条纹测量位移
院
五、细分技术
电 气
六、辨向技术
工
程
系
1
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。
4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5-54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。
22
图5-5-4 四细分
23
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
4、光栅副：指示光栅＋主光栅
8
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。
❖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。
21
直接细分
❖又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用
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
顺时针方向
逆时针方向
标尺光栅移动 方向 向左
向右
向左
向右
莫尔条纹移动方向 向上 向下 向下 向上
13
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。
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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。
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24
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。
25
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。
16
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
表达式为
图5-5-3 光电元件输出与光栅位移的关系
反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
4
可移动电缆
扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
5
长光栅
圆光栅
6
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。 7
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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
20
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.
图5-5-2 莫尔条纹
10
B
11
2、莫尔条纹的宽度
设a=b=W/2，则
W/2 sin
B
2
所以，
B
W sin
/2
2
当θ很小时， sin
22
则有B W
（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
12
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
图5-5-1光栅传感器的组成
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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。
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1、光栅的类型
光栅 光栅
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
反射式光栅
在金属光洁的表面上按一定 间隔制成全反射和漫反射的
条纹。
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
圆光栅 测量角位移的光栅为圆形
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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