第10章数字式传感器及应用幻灯片课件
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长光栅 又称为光栅尺，用于长度或直线位移的
测量。 圆光栅 又称为光栅盘，用来测量角度或角位移。
2020/6/27
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长光栅
闪耀光栅刻线断面 闪耀光栅是对入射光波 的相位进行调制，也称 为相位光栅，按其刻线 的断面形状可分为对称 和不对称两种。
2020/6/27
黑白光栅
8
圆光栅
圆光栅的两条相邻栅线的中心线之间的夹角称为角节距，每周 的栅线数从较低精度100线到高精度等级的21 600线不等
每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，则B越
大。
2020/6/27
12
2.横向莫尔条纹的特点
（1）放大作用 光栅具有位移放大作用， 提高了测量的灵敏度。
（2）平均效应 莫尔条纹由大量的光栅 栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划 误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得 的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度 还要高。
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
2020/6/27
防护罩内为直线光栅
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10.2编码器
将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代 码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。 编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广 泛用于各种位移的测量。
主光栅移动一个栅距W，光强变化一个
周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动
时光强的变化，则将光信号转换为电信
号，接近于正弦周期函数，如以电压输
出，即
uoUoUmsin( 22W x)
2020/6/27
18
光电元件输出波形
2020/6/27
19
2.辨向原理
光栅是正向移动还是反向移动，莫尔条 纹都做明暗交替变化，光电元件总是输 出同一规律变化的电信号，此信号只能 计数，不能辨向。为此，必须设置辨向 电路。
时，若光栅移动了xmm（即移过了 100x条光栅栅线），则从光电元件前掠 过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔
条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光
敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉 冲信号计数，就可知道移动的实际位移。
2020/6/27
15
10.1.3 光栅式传感器的测量电路
计量光栅作为一个完整的测量装置包括 光栅读数头、光栅数显表两大部分。光 栅读数头把输入量（位移量）转换成相 应的电信号；光栅数显表是实现细分、 辨向和显示功能的电子系统。
第10章数字式传感器及应用
10.1栅式数字传感器
根据工作原理，可分为光栅和磁栅两种。 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀
相间排列构成的光电器件。 按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光
栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等 量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、 速度、加速度、振动等物现量。计量光栅又有透射光 栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的 长光栅和角位移的圆光栅。 本节主要介绍透射式的长度计量光栅。它是利用光栅 莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理 简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密 定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了 广泛应用。
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2
10.1.1 光栅的类型和结构
在计量工作中应用的光栅称为计量光栅。 从光栅的光线走向来看，可分为透射式 光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅 一般用光学玻璃做基体，在其上均匀地 刻划上等间距、等宽度的条纹，形成连 续的透光区和不透光区。反射式光栅用 不锈钢做基体，在其上用化学方法制作 出黑白相间的条纹，形成强反光区和不 反光区。
2020/6/27
3
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
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
2020/6/27
可移动电缆
4
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
2020/6/27
5
光栅刻线
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6
计量光栅按其形状和用途分类
（3）运动方向
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13
光栅位移与光强关系
4）对应关系 两块光 栅沿栅线垂直方向作 相对移动时，莫尔条 纹的亮带与暗带将顺 序自上而下不断掠过 光敏元件。光敏元件 接受到的光强变化近 似于正弦波变化。光
栅移动一个栅距W，
光强变化一个周期。
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（5）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移 过的栅线数 例如采用100线/mm光栅
于细分后计数脉冲的频率提高了，因此 细分又叫做倍频。
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细分的方法
直接细分，细分数为4，所以又称四倍频 细分。
实现的方法有两种 ：
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四倍频细分原理
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光栅在机床上的安装位置（2个 自由度）
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安装有直线光栅的数控机床加工实况
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16
1.光电转换
光电转换装置（光栅读数头）主要由主 光栅、指示光栅、光路系统和光电元件 等组成 。
1—光源 2—透镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件
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输出电压反映了位移量的大小
莫尔条纹是一个明暗相间的光带。两条
暗带中心线之间的光强变化是从最暗、
渐亮、最亮、渐暗直到最暗的渐变过程。
成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的 缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方 向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为 莫尔条纹。
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10
莫Fra Baidu bibliotek条纹演示
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光栅与莫尔条纹示意图
当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将
会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅
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辨 向 电 路
3.细分技术
为了提高分辨力，可以采用增加刻线密
度的方法来减少栅距，但这种方法受到
制造工艺或成本的限制。另一种方法是
采用细分技术，可以在不增加刻线数的
情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移
动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不
只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n 个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由
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10.1.2 光栅的工作原理
1．长光栅的莫尔条纹
计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它 们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多 明暗相间、宽度相等的刻线。主光栅的刻线一 般比指示光栅长。
若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一 起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度
θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形
测量。 圆光栅 又称为光栅盘，用来测量角度或角位移。
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长光栅
闪耀光栅刻线断面 闪耀光栅是对入射光波 的相位进行调制，也称 为相位光栅，按其刻线 的断面形状可分为对称 和不对称两种。
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黑白光栅
8
圆光栅
圆光栅的两条相邻栅线的中心线之间的夹角称为角节距，每周 的栅线数从较低精度100线到高精度等级的21 600线不等
每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。θ越小，则B越
大。
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12
2.横向莫尔条纹的特点
（1）放大作用 光栅具有位移放大作用， 提高了测量的灵敏度。
（2）平均效应 莫尔条纹由大量的光栅 栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划 误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得 的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度 还要高。
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
2020/6/27
防护罩内为直线光栅
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10.2编码器
将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代 码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。 编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广 泛用于各种位移的测量。
主光栅移动一个栅距W，光强变化一个
周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动
时光强的变化，则将光信号转换为电信
号，接近于正弦周期函数，如以电压输
出，即
uoUoUmsin( 22W x)
2020/6/27
18
光电元件输出波形
2020/6/27
19
2.辨向原理
光栅是正向移动还是反向移动，莫尔条 纹都做明暗交替变化，光电元件总是输 出同一规律变化的电信号，此信号只能 计数，不能辨向。为此，必须设置辨向 电路。
时，若光栅移动了xmm（即移过了 100x条光栅栅线），则从光电元件前掠 过的莫尔条纹数也为100x条。由于莫尔
条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光
敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉 冲信号计数，就可知道移动的实际位移。
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10.1.3 光栅式传感器的测量电路
计量光栅作为一个完整的测量装置包括 光栅读数头、光栅数显表两大部分。光 栅读数头把输入量（位移量）转换成相 应的电信号；光栅数显表是实现细分、 辨向和显示功能的电子系统。
第10章数字式传感器及应用
10.1栅式数字传感器
根据工作原理，可分为光栅和磁栅两种。 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀
相间排列构成的光电器件。 按其原理和用途，分为物理光栅和计量光栅。物理光
栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等 量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、 速度、加速度、振动等物现量。计量光栅又有透射光 栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的 长光栅和角位移的圆光栅。 本节主要介绍透射式的长度计量光栅。它是利用光栅 莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理 简单、测量精度高等优点，在数控机床和仪器的精密 定位或长度、速度、加速度、振动测量等方面得到了 广泛应用。
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10.1.1 光栅的类型和结构
在计量工作中应用的光栅称为计量光栅。 从光栅的光线走向来看，可分为透射式 光栅和反射式光栅两大类。透射式光栅 一般用光学玻璃做基体，在其上均匀地 刻划上等间距、等宽度的条纹，形成连 续的透光区和不透光区。反射式光栅用 不锈钢做基体，在其上用化学方法制作 出黑白相间的条纹，形成强反光区和不 反光区。
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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
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
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可移动电缆
4
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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光栅刻线
2020/6/27
6
计量光栅按其形状和用途分类
（3）运动方向
2020/6/27
13
光栅位移与光强关系
4）对应关系 两块光 栅沿栅线垂直方向作 相对移动时，莫尔条 纹的亮带与暗带将顺 序自上而下不断掠过 光敏元件。光敏元件 接受到的光强变化近 似于正弦波变化。光
栅移动一个栅距W，
光强变化一个周期。
2020/6/27
14
（5）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移 过的栅线数 例如采用100线/mm光栅
于细分后计数脉冲的频率提高了，因此 细分又叫做倍频。
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22
细分的方法
直接细分，细分数为4，所以又称四倍频 细分。
实现的方法有两种 ：
2020/6/27
23
四倍频细分原理
2020/6/27
24
光栅在机床上的安装位置（2个 自由度）
2020/6/27
25
安装有直线光栅的数控机床加工实况
2020/6/27
16
1.光电转换
光电转换装置（光栅读数头）主要由主 光栅、指示光栅、光路系统和光电元件 等组成 。
1—光源 2—透镜 3—主光栅 4—指示光栅 5—光电元件
2020/6/27
17
输出电压反映了位移量的大小
莫尔条纹是一个明暗相间的光带。两条
暗带中心线之间的光强变化是从最暗、
渐亮、最亮、渐暗直到最暗的渐变过程。
成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的 缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方 向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为 莫尔条纹。
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莫Fra Baidu bibliotek条纹演示
2020/6/27
11
光栅与莫尔条纹示意图
当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将
会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅
2020/6/27
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辨 向 电 路
3.细分技术
为了提高分辨力，可以采用增加刻线密
度的方法来减少栅距，但这种方法受到
制造工艺或成本的限制。另一种方法是
采用细分技术，可以在不增加刻线数的
情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移
动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不
只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n 个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。由
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10.1.2 光栅的工作原理
1．长光栅的莫尔条纹
计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它 们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多 明暗相间、宽度相等的刻线。主光栅的刻线一 般比指示光栅长。
若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一 起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度
θ，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形