光栅传感器工作原理.pdf

一、光栅传感器的基本原理一、光栅传感器的基本原理光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，多用于位移测量及与位移相关的物理量，如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面的测量。光栅传感器的基本结构如图 1 所示：图 1 光栅传感器的基本结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成如图1所示，当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。光栅传感器光源：钨丝灯泡的输出功率较大，工作范围较宽为-40到+130，但是它与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。因此必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。半导体发光器件转换效率高，响应快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达 30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十 ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。光栅副：如图 2 所示为透射光栅，它是一个长光栅，在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则的明暗线条。图中 a 为刻线宽度，b 为可惜案件的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距或光栅常数。通常情况下，a=b=W/2，也可以做成a:b=1.1:0.9,刻线密度一般为每毫米 10,25,50,100 线。图 2 透射光栅指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。二、莫尔条纹形成的原理二、莫尔条纹形成的原理把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起（片间留有很小的间隙），并使两者栅线之间保持很小的夹角，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如图3所示。在 a-a线上，两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相见的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称做横向莫尔条纹。图 3 光栅和横向莫尔条纹由图可知，横向莫尔条纹的斜率为式中，为亮（暗）带的倾斜角，为两光栅的栅线夹角。横向莫代尔条纹（亮带与暗带）之间的距离为式中，为横向莫尔条纹之间的距离；W 为光栅常数。由光栅常数与光栅的夹角 决定。对于给定的光栅常数 W由此可见，莫尔条纹的宽度的两光栅，夹角 越小，条纹宽度越大，即条纹稀。所以通过调整夹角，可以使条纹宽度具有任何所需要的值。三、莫尔条纹技术的特点三、莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。上述是基于莫尔条纹技术利用长光栅进行位移测量，除此之外还可以用径向光栅进行角度测量，如图 4 所示，图 4 径向光栅当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。