《光栅式传感器》PPT课件.ppt

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1、第八章 光电式传感器光栅传感器.1光栅传感器的结构光栅传感器的结构.2莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理.3莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点.4光栅的光路光栅的光路.5辨向原理辨向原理.6细分技术细分技术上一页下一页返 回.1 光栅传感器的结构l光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。指示光栅）和光电接收元件组成。上一页下一页返 回光栅传感器光源：l钨丝灯泡：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（输出功率较大，工作范围较宽（-40到到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击与光电元件相组合的转换效率低。

2、在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。条件下工作时，使用寿命将降低。l半导体发光器件半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。而减小功耗和热耗散。上一页下一页返 回光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数

3、）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2上一页下一页返 回光电元件 l包括有包括有光电池光电池和和光敏三极管光敏三极管等部分。等部分。l在在采采用用固固态态光光源源时时，需需要要选选用用敏敏感感波波长长与与光光源源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在在光光敏敏元元件件的的输输出出端端，常常接接有有放放大大器器，通通过过放放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。上一页下一页返 回.2 莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决

4、定光栅常数与光栅夹角决定上一页下一页返 回.3 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）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。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）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，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。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

5、线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。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。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。上一页下一页返 回l1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。l2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的

6、运时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。莫尔条纹向上运动。l3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，越着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，越大，相当于把微小的栅距扩大了大，相当于把微小的栅距扩大了 倍。由此可倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。见，计量光栅起到光学放大器的作用。例如，对线例如，对线mm的长光栅而

7、言，的长光栅而言，0.04mm，若，若=0.016rad，则，则=2.5mm.，光敏元件可以分辨，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。的间隔。l4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用等。例如，采用100线线/mm光栅时，若光栅移动了光栅时，若光栅移动了xmm（也就是移过了（也就是移过了100 x条光栅刻线），则从光条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是电元件面前掠过的莫尔条纹也是100条。由于莫尔条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。条纹比栅距宽得多，所以能够

8、被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移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距离了。动的实际距离了。4、零位光栅l“零刻度零刻度”径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，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。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。上一页下一页返 回.5 光栅的光路l透射光路透射光路l反射光路反射光路 上一页下一页返 回（1）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。上一页下一页返 回（2）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。上一页下一页返 回