光栅和激光位移测量技术.ppt

光栅和激光位移测量技术一、一、光栅式传感器光栅式传感器-等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移利用光的莫尔条纹现象测量精密位移长光栅长光栅-直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅-角位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)(1)莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0,w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分：直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分：透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光(3)圆光栅传感器圆光栅传感器光栅光栅-径向光栅、切向光栅、环形光栅径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅径向圆光栅 切向圆光栅切向圆光栅 径向光栅的圆弧形莫尔条纹径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅两块径向光栅-栅距角相同栅距角相同/不大偏心量不大偏心量光栅不同区域，光栅不同区域，栅栅线交角线交角不同不同-圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹 （不同曲率半径）（不同曲率半径）条纹宽度条纹宽度-随位置变化随位置变化偏心垂直位置上偏心垂直位置上-条纹近似垂直于栅线条纹近似垂直于栅线偏心方向上偏心方向上-条纹近似平行于栅线条纹近似平行于栅线-横向莫尔条纹横向莫尔条纹-纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹其他位置其他位置-斜向莫尔条纹斜向莫尔条纹实际应用实际应用特例特例-光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）主光栅（一个栅距角）-透光量（一个周期）透光量（一个周期）莫尔条纹莫尔条纹-圆弧形、圆弧形、环形、辐射形环形、辐射形 切向光栅的环形莫尔条纹切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅两块切向光栅-栅距角相同栅距角相同/切线圆半切线圆半径不同径不同/同心叠合同心叠合环形莫尔条纹环形莫尔条纹 -以光栅中心为圆心的同心圆簇以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度条纹宽度-随条纹位置变化随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度应用：高精度角度测量和分度-全光栅平均效应全光栅平均效应优点：优点：环形环形光栅的辐射形莫尔条纹光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅两块环形光栅（相同）（相同）-栅线相对栅线相对/不大的偏心量不大的偏心量辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹 -条纹近似直线条纹近似直线/呈辐射状呈辐射状特点：条纹数目特点：条纹数目/位置位置-偏心量大小偏心量大小/圆心连线方向圆心连线方向光栅旋转光栅旋转-条纹数目条纹数目/位置（不变）位置（不变）偏心量（一个栅距）偏心量（一个栅距）-莫尔条纹数莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）目增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动应用：主轴偏移、晃动(4)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 二、激光干涉测量系统二、激光干涉测量系统单频激光干涉系统单频激光干涉系统双频激光干涉系统双频激光干涉系统-信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）以上）双频激光干涉测量系统双频激光干涉测量系统三、激光测距系统三、激光测距系统3）激光三角法）激光三角法-大范围远距离测距（几千大范围远距离测距（几千/几十千米）几十千米）1）脉冲测距法）脉冲测距法2）相位差测距法）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器激光短脉冲信号（激光器 被测目标）被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离远距离-固体固体/二氧化碳；近距离二氧化碳；近距离-半导体半导体巨脉冲激光器巨脉冲激光器-地球地球月球距离（分辨力：月球距离（分辨力：1m）激光束调制激光束调制-相位差相位差-时间时间-距离距离距离距离特点：测量精度高、分辨力强特点：测量精度高、分辨力强原理：原理：y=f(x)x yKeyence 激光测距传感器激光测距传感器激光测距产品特点：特点：非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征径大小以及被测物体的表面特征应用：应用：厚度测量：厚度测量：(a)参考表面：两传感器同向参考表面：两传感器同向-减小偏心误差减小偏心误差(b)相对测量：两传感器反向，无参考表面相对测量：两传感器反向，无参考表面-克服钢板本克服钢板本身上下起伏造成的误差身上下起伏造成的误差测量范围：测量范围：16mm左右；相对测量精度：左右；相对测量精度：0.1%0.2%适用：在线测量钢板适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感不能测量镜面不能测量镜面-漫反射原理漫反射原理