光栅传感器的辨向.ppt

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1、导弹传感与检测技术 光栅数字传感器光栅数字传感器导弹传感与检测技术 2023/2/27一、一、光栅的结构和分类光栅的结构和分类1.1.光栅的结构光栅的结构 光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的与不透光相间排列的光电器件光电器件。栅线栅线光栅上的刻线，宽度光栅上的刻线，宽度a a 缝隙宽度缝隙宽度b b 栅距栅距w=a+bw=a+b（也称光栅常数）（也称光栅常数）导弹传感与检测技术 导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、分类、分类按原理和用途：

2、物理光栅和按原理和用途：物理光栅和计量光栅计量光栅物理光栅：刻线细密物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象利用光的衍射现象,主主要用于光谱分析和光波长等量的测量。要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。度、速度、加速度、振动等几何量的测量。导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、分类、分类按光的走向按光的走向：透射式（玻璃）透射式（玻璃）和反射式（金属）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料反射式光栅：刻划基面

3、采用金属材料按栅线形式按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）栅）黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为其栅线与缝隙为黑白相间结构；黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。常用刻划工艺加工而成。导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、分类、分类按按应用应用类型：长光栅和圆光栅类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量刻线相互平行；用于测量长度或线位移长度或线

4、位移导弹传感与检测技术 2023/2/27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)导弹传感与检测技术 2023/2/27 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.导弹传感与检测技术 2023/2/27栅距栅距栅线宽度栅线宽度缝隙宽度缝隙宽度栅距角栅距角导弹传感与检测技术 2023/2/27圆光栅分类：圆光栅分类：根据根据栅线刻划的方向栅线刻划的方向，圆光栅分三种：，圆光栅分三种：径

5、向光栅径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切有零点儿或几个毫米的小圆相切;环形光栅环形光栅:一簇等间距同心圆组成一簇等间距同心圆组成.若按若按光线的走向光线的走向，圆光栅只有透射光栅。，圆光栅只有透射光栅。导弹传感与检测技术 2023/2/27导弹传感与检测技术 2023/2/273.3.莫尔条纹莫尔条纹1).1).莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成 如果把两块如果把两块栅距栅距W相等相等的光栅面的光栅面平行安装平行安装，且且指示光栅和主光

6、栅的刻线相交一个微小的夹指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角角时时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的光栅刻线的相交处形成暗带相交处形成暗带，而在，而在刻线彼此错刻线彼此错开处形成亮带开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向。在与光栅线纹大致垂直的方向上上,产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。导弹传感与检测技术 f ff f线区则是由线区则是由于于光栅的遮光效光栅的遮光效应应形成的。形成的。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由带，它由一系列

7、四棱形图案组成一系列四棱形图案组成，d dd d线区所示。线区所示。导弹传感与检测技术 长光栅莫尔条纹长光栅莫尔条纹主光栅主光栅指示光栅指示光栅导弹传感与检测技术 2023/2/27 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹导弹传感与检测技术 2023/2/27横向莫尔条纹：横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角由于两光栅的栅线夹角 很小，条很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0，且两光栅栅距不且两光栅栅距不等时产生的莫等时产生的莫尔条纹尔条纹。光闸莫尔条纹：光闸莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的

8、夹角0,且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时等时产生的莫尔条纹。产生的莫尔条纹。导弹传感与检测技术 2023/2/27横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹导弹传感与检测技术 当当光光栅栅每每移移动动一一个个光光栅栅栅栅距距W W时时，莫莫尔尔条条纹纹也也跟跟着着移移动动一个条纹宽度一个条纹宽度B B。2)2)莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征、位移放大作用、位移放大作用导弹传感与检测技术 2023/2/272)2)莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征、位移放大作用、位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔条纹间距B B与栅距与栅距w w及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：

9、的关系为：导弹传感与检测技术 2023/2/27结论：结论：越小越小,k,k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1，W=0.02mmW=0.02mm时时 =0.1=0.12/360=0.00175432rad=0.1=0.12/360=0.00175432rad 则：则：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k k为放大系数，为放大系数，则：则：导弹传感与检测技术 越越小小，B越越大大，这这相相当当于于把把栅栅距距W放放 大大 大大 了了 1/倍倍。例例 如如=0.1，则则1/573，即即莫莫尔尔条条纹纹宽

10、宽度度B是是栅栅距距W的的573倍倍，这这相相当当于于把把栅栅距距放放大大了了573倍倍，说说明明光光栅栅具具有有位位移移放放大大作作用用，从从而而提提高高了测量的灵敏度。了测量的灵敏度。导弹传感与检测技术 2023/2/27、运动对应关系、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数当移动的刻线数i和角度和角度一定时，莫尔条纹间距一定时，莫尔条纹间距B B

11、与移动距离与移动距离x成正比，即：成正比，即：导弹传感与检测技术 2023/2/27 误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差消差作用。作用。u莫莫尔尔条条纹纹由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成,几几条条刻刻线线的的栅栅距距误误差差或或断断裂裂对对莫莫尔尔条条纹纹的的位位置置和和形形状状影影响响甚甚微微。能在很大程度上能在很大程度上消除短周期误差消除短周期误差的影响。的影响。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

12、 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播放中播放中圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画莫尔条纹动画光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画播放动画长光栅莫尔条纹播放动画播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画(1)莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。(2)位移的放大作用

13、：当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：结论：莫尔条纹测位移具有三个特点结论：莫尔条纹测位移具有三个特点条纹间距与栅距的关系为：当角较小时，例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移测量。(3)误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误差的作用 分辨力分辨力 =W=1/50=0.02mm=20 m 放大倍数放大倍数1/=1/(1.8 3.

14、14/180 )31.83 莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度 L=W/0.637 mm 例：例：一直线光栅，每毫米刻线数为一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示，主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角=1.8，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？度分别为多少？导弹传感与检测技术 2023/2/27光栅传感器由主光栅、指示光栅、光源和光光栅传感器由主光栅、指示光栅、光源和光电器件组成。电器件组成。工作原理：工作原理：利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅的相对移动使光栅的相对移动使透射光强度透射光强度呈周期性变化，呈

15、周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的光电元件把这种光强信号变为周期性变化的电信号电信号，由电信号的变化即可获得光栅的相，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。对移动量。二、二、光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理导弹传感与检测技术 2023/2/27特点：特点：数字式传感器：数字式传感器：能把被测的模拟量能把被测的模拟量直接直接转换转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力强器抗干扰能力强,稳定性强稳定性强;易于微机接口易于微机接口,便便于信号处理和实现自动化测量。于信号处理和实现自动化测量。二、二、光栅传感器的工作原理光栅

16、传感器的工作原理导弹传感与检测技术 透镜透镜光栅副光栅副光电元件光电元件光源光源1 1、装置结构、装置结构导弹传感与检测技术 2023/2/271 1、光电转换原理、光电转换原理 1 1光源；光源；2 2聚光镜；聚光镜；3 3光栅主尺；光栅主尺；4 4指示光栅；指示光栅；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫尔条纹；莫尔条纹；7 7光强分布光强分布 导弹传感与检测技术 2023/2/27主光栅主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的固定在被测物体上，它随被测物体的直线位移而产生移动，其长度取决于测量范直线位移而产生移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光围，指示光栅相对于光电元

17、件固定。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。用光电器件用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，记录莫尔条纹通过某点的数目，可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。体的位移量。导弹传感与检测技术 W条纹间距条纹间距导弹传感与检测技术 W条纹间距条纹间距光电元件光电元件W如何测量微小位移量？如何测量微小位移量？光电元件光电元件光电元件感受光电元件感受的光强变化是的光强变化是否明显？否明显？导弹传感与检测技术 2023/2/27传感器原理及应用1、光闸莫尔条纹光电转换原理、光闸莫尔条纹光电转换原理理想情况：理

18、想情况：三角形三角形导弹传感与检测技术 莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图中可莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图中可看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，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，接近于正弦化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。周期函数。导弹传感与检测技

19、术 光栅位移与光强、输出电压的关系光栅位移与光强、输出电压的关系导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、光闸莫尔条纹测量位移原理、光闸莫尔条纹测量位移原理 当光电元件当光电元件5 5接收到明暗相间的正弦信号时接收到明暗相间的正弦信号时,根据根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距一个栅距w w时时,电信号则变化了一个周期。光电元件输电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：出波形为：直流分量直流分量交流分量交流分量光栅相对光栅相对位移量位移量导弹传感与检测技术 2023/2/27 当波形重复到当波形重复到原来的相位和幅原来

20、的相位和幅值时值时,相当于光栅相当于光栅移动了一个栅距移动了一个栅距w,w,如果光栅相对如果光栅相对位移了位移了N N个栅距个栅距,此时位移此时位移x=NWx=NW。因此因此,只要能记只要能记录移动过的莫尔录移动过的莫尔条纹数条纹数N,N,就可以就可以知道光栅的位移知道光栅的位移量量x x值。这就是值。这就是利利用光闸莫尔条纹用光闸莫尔条纹测量位移的原理。测量位移的原理。导弹传感与检测技术 2023/2/27三、辨向原理及辨向电路三、辨向原理及辨向电路1 1、辨向的原因、辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条一固定

21、点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。电路。导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、辨向原理与辨向电路、辨向原理与辨向电路 为辨别主光栅的移动方向为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个且两

22、个莫尔条纹信号相差莫尔条纹信号相差90相位。相位。实现的方法是在相隔实现的方法是在相隔B/4条纹间隔的位置上安装条纹间隔的位置上安装两只光敏元件两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样变化规律完全一样,相位相差相位相差/2。滞后还是超前完。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的全取决于光栅的运动方向。这种区别运动方向的方法称为方法称为位置细分辨向原理位置细分辨向原理。导弹传感与检测技术 2023/2/27图7.5 辨向原理 导弹传感与检测技术 Lu1u2L/4导弹传感与检测技术 导弹传感与检测技术 导弹传感与检测技术 导弹传感

23、与检测技术 导弹传感与检测技术 导弹传感与检测技术 1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹；莫尔条纹；A A光栅移动方向；光栅移动方向；B B莫尔条纹移动方向；莫尔条纹移动方向；U01U01元件元件AB(1)AB(1)对应的输出电压；对应的输出电压；U02U02元件元件CD(2)CD(2)对应的输出电压；对应的输出电压；u1u1u2u2微微微微分分分分微微微微分分分分反反反反相相相相Y1Y1Y2Y2加法脉冲加法脉冲加法脉冲加法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲整形整形整形整形放大放大放大放大整形整形整形整形放大放大放大放大u1u1u2u2u1u1u2u2导

24、弹传感与检测技术 2023/2/27AB与与CD两两个个狭狭缝缝在在结结构构上上相相差差/2,所所以以它它们们在光电元件上取得的信号必是相差在光电元件上取得的信号必是相差/2。AB为主信号为主信号,CD为门控信号。为门控信号。当当主主光光栅栅作作正正向向运运动动时时,CD产产生生的的信信号号只只允允许许AB产产生生的的正正脉脉冲冲通通过过,门门电电路路在在可可逆逆计计数数器中作加法运算；器中作加法运算；当当主主光光栅栅作作反反方方向向移移动动时时,则则CD产产生生的的负负值值信信号号只只让让AB产产生生的的负负脉脉冲冲通通过过,门门电电路路在在可可逆计数器中作减法运算。逆计数器中作减法运算。导

25、弹传感与检测技术 2023/2/27 U1和和U2经过整形后得两个方波信号经过整形后得两个方波信号U1和和U2。U1产产生生计计数数脉脉冲冲，U2的的电电平平状状态态作作为为与与门门的的控控制制信信号号,来来控控制制在在不不同同的的移移动动方方向向时时,U1所所产产生生的的脉脉冲冲输输出出路路线线。这这样样就就可可以以根根据据运运动动方方向向正正确确的的给给出出加加计计数数脉脉冲冲或或减减计计数数脉脉冲冲,再再将将其其输输入入可可逆逆计计数数器器,实时显示出相对于某个参考点的位移量。实时显示出相对于某个参考点的位移量。整形整形整形整形放大放大放大放大u1u1u2u2u2u2u1u1微微微微分分

26、分分微微微微分分分分反反反反相相相相Y1Y1Y2Y2加法脉冲加法脉冲加法脉冲加法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲u1u1u1u1ffu1u1ff正向移动时正向移动时正向移动时正向移动时u1u1整形整形整形整形放大放大放大放大u2u2u2u2整形整形整形整形放大放大放大放大u1u1u2u2u2u2u1u1微微微微分分分分微微微微分分分分反反反反相相相相Y1Y1Y2Y2加法脉冲加法脉冲加法脉冲加法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲u1u1u1u1ffu1u1ffu1u1整形整形整形整形放大放大放大放大u2u2u2u2正向移动时正向移动时正向移动时正向移动时u1u1u2u2u2u2u1u1ff

27、u1u1整形整形整形整形放大放大放大放大微微微微分分分分微微微微分分分分反反反反相相相相Y1Y1Y2Y2加法脉冲加法脉冲加法脉冲加法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲u1u1u1u1ffu1u1整形整形整形整形放大放大放大放大u2u2u2u2反向移动时反向移动时反向移动时反向移动时微微微微分分分分微微微微分分分分反反反反相相相相Y1Y1Y2Y2加法脉冲加法脉冲加法脉冲加法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲减法脉冲整形整形整形整形放大放大放大放大整形整形整形整形放大放大放大放大u1u1u2u2u1u1u2u2导弹传感与检测技术 2023/2/27当当光光栅栅沿沿A向向移移动动时时,莫莫尔尔条条纹纹向

28、向B向向移移动动。U2超超前前U1 90。U1经经微微分分电电路路后后产产生生的的脉脉冲冲（如如图图中中实实线线所所示示）正正好好发发生生在在U2的的“1”电电平平时时,从从而而经经Y1输输出出一一个个加加计计数数脉脉冲冲;而而U1经经反反相相并并微微分分后后产产生生的的脉脉冲冲（如如图图中中虚虚线线所所示示）则则与与U2的的“0”电电平平相相遇遇,与与门门Y2被阻塞被阻塞,无脉冲输出。无脉冲输出。当当光光栅栅沿沿A反反方方向向移移动动时时,莫莫尔尔条条纹纹向向B反反向向移移动动。U1超超前前U290。U1的的微微分分脉脉冲冲发发生生在在U2为为“0”电电平平时时,与与门门Y1无无脉脉冲冲输输

29、出出;而而U1的的反反相相微微分分脉脉冲冲则则发发生生在在U2的的“1”电平时电平时,与门与门Y2输出一个输出一个减计数脉冲减计数脉冲。导弹传感与检测技术 2023/2/27四、四、莫尔条纹细分技术莫尔条纹细分技术目的目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法细分方法：1.1.增加光栅刻线密度；增加光栅刻线密度；2.2.电子细分；电子细分；3.3.机械和光学细分。机械和光学细分。导弹传感与检测技术 2023/2/27电子细分电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内期内,发出发出n n个脉冲个脉冲,每个脉冲代表原来

30、栅距的每个脉冲代表原来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了。由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍倍,因此因此也称之为也称之为n n倍频法。倍频法。通常采用的电子细分方法有：通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细四倍频细分和电桥细分分等。等。导弹传感与检测技术 2023/2/271.1.四倍频细分四倍频细分 方方案案：在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，得得到到四四个个相相差差依依次次为为/2/2的的电电压压信信号号；或或在在相相差差B/4B/4位位置置上上安安放放两两个个光光电电元元件件，得得到到两两个个相相差差/2/2电电压压信

31、信号号，将将这这两两个个信信号号整整形形、反反相相后后得得到到四四个依次相差个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。导弹传感与检测技术 采用电路的采用电路的手段对周期手段对周期性的测量信性的测量信号进行插值，号进行插值，以提高分辨以提高分辨率。率。u1L导弹传感与检测技术 用鉴频器鉴用鉴频器鉴取四个信号取四个信号的零电平，的零电平，当每个信号当每个

32、信号从负到正过从负到正过零点时发一零点时发一个计数脉冲个计数脉冲L导弹传感与检测技术 2023/2/27相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 导弹传感与检测技术 2023/2/27五、五、光栅传感器的光学系统光栅传感器的光学系统组成组成：光源、透镜、光栅、光敏元件：光源、透镜、光栅、光敏元件光源光源：白炽灯或其它发光元件；：白炽灯或其它发光元件；透镜透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件光敏元件：输出电压信号；：输出电压信号；形式形式：透射直读式、反射直读式、反射积分式等：透射直读式、反射直读式、反射积分式等导弹传感与检测技术 尺身尺身

33、尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅1 1、光栅的外形及结构、光栅的外形及结构导弹传感与检测技术 扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆导弹传感与检测技术 2023/2/272 2、透透射射直直读读式式特点：特点：光电元件采用光电元件采用四极硅光电池四极硅光电池构成四细分直读式分光构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差系统，输出的四路电信号相位依次相差/2/2，相当于对莫，相当于对莫尔条纹信号进行四

34、细分。尔条纹信号进行四细分。导弹传感与检测技术 透射式光栅透射式光栅导弹传感与检测技术 透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定导弹传感与检测技术 2023/2/27特点特点：标尺光栅为反射式：标尺光栅为反射式光栅，光栅，光源经透镜成平行光光源经透镜成平行光束并以一定角度射向指示束并以一定角度射向指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅，莫尔条纹是由标尺光栅反射回来的光线与指光栅反射回来的光线与指示光栅相互作用而成。示光栅相互作用而成。（b）反射直读式）反射直读式2 2、反射直读式、反射直读式导弹传感与检测技术 反射式光栅反射式光栅导弹传感与检测技术 2023/2/27特点特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指

35、示光栅，利：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利用光的衍射和干涉现象测量位移。用光的衍射和干涉现象测量位移。3 3、反射积分式、反射积分式导弹传感与检测技术 2023/2/277.5 7.5 光栅传感器的应用光栅传感器的应用 由于光栅传感器由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。，因而在机械工业中得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为光栅传感器通常作为测量元件测量元件应用于机床定应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、位、

36、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。加速度、振动等。导弹传感与检测技术 2023/2/27传感器原理及应用例例:光光栅栅式式万万能能测测长长仪仪导弹传感与检测技术 2023/2/27光源：红外发光二极管光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为/2/2的原始信号；的原始信号；光电元件：光电三极管光电元件：光电三极管四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。