第4章光纤光栅传感器介绍.ppt

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1、光纤传感器光纤传感器光纤的传光原理光纤的传光原理光纤传感器光纤传感器 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一种基于光导年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器光纤传感器用光作为敏感信息的载体用光作为敏感信息的载体，用光，用光纤作为纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时。因

2、此，它同时具有光纤及光学测量的特点。具有光纤及光学测量的特点。l u电绝缘性能好。电绝缘性能好。u抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。u非侵入性。非侵入性。u高灵敏度。高灵敏度。u容易实现对被测信号的远距离监容易实现对被测信号的远距离监控。控。u光纤传感器可测量位移、速度、加光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理动、温度、电流、电压、磁场等物理量量纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套光纤的结构光纤的传光原理光纤的传光原理4.4 光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理4.4.2光

3、导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用4.4.1 光导纤维的结构和导光原理u圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（射率略大于包层的折射率（n2 arcsinNAi arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNAi arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。4.4 光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数光导纤维的主要

4、参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用4.4.2 光导纤维的主要参数1.1.数值孔径（数值孔径（NANA）2.2.光纤模式光纤模式3.3.传播损耗传播损耗1.数值孔径（数值孔径（NA）u反反映映纤纤芯芯接接收收光光量量的的多多少少，标标志志光光纤纤接接收收性能。性能。u意意义义：无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大，只只有有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。张角之内的光功率能被光纤接受传播。u大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。u但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径

5、太大，光信号畸变也越严重。2.光纤模式u按传输模式分为单模光纤和多模光纤。u阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为u 希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）式中式中,l光纤长度；光纤长度；a单位长度的衰减；单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。4.4 光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器

6、的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用4.4.3 光纤传感器结构原理u把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光纤传感器光学测量的基本原理 l光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制4.4

7、 光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用4.4.4 光纤传感器的分类传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaa

8、aa非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、

9、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤光纤传感器的分类u光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用u光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式u光纤传感器中对光信号的检测方法不同光纤传感器中对光信号的检测方法不同 (1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型

10、拾光型(1)功能型传感器功能型传感器这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测的信号携带了被测信息。信息。(a)功能型（全光纤型）光纤传感器l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。l优点：结构紧凑、灵敏度高。l缺点：须用特殊光纤，成本高，l典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。(2)非功能型传感器非

11、功能型传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器l光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。l优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。l缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。(3)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或

12、被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计、辐射式光纤温度传感器等。计、辐射式光纤温度传感器等。信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器光调制技术光的调制和解调可分为：光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频强度、相位、偏振、频率和波长率和波长等方式。等方式。光的调制过程就是将一携

13、带信息的信号叠加到载光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。器进行检测。光纤传感器的基本原理是将来自光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入调光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等如

14、光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。器，经解调器解调后，获得被测参数。(1)(1)强度调制强度调制光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反光源发射的光经入射光纤传输到传感头，经传感头把光反射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。射到出射光纤，通过出射光纤传输到光电接收器。传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光传感头又称调制器，通过调制器把被测量的变化转变为光的强度变化，即对光强度进行调制，光电接收器接收到强的强度变化，即对光强度进行调

15、制，光电接收器接收到强度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。度变化的光信号，最后解调出被测量的变化。(a)强度调制型光纤传感器l利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件参参数数的的变变化化，而而导导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。致光强度变化来实现敏感测量的传感器。l应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体l优点优点:结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。l缺点缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响易受光源波动和连接器损耗变化等的影响（b）偏振调制光纤传感器l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象

16、信息l应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡克尔斯效应；电场、电压传感器：泡克尔斯效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。（c）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器l被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测l利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的光光纤纤速速度、流速、振动、压力、加速度传感

17、器；度、流速、振动、压力、加速度传感器；l利利用用物物质质受受强强光光照照射射时时的的喇喇曼曼散散射射构构成成的的测测量量气气体体浓浓度或监测大气污染的气体传感器；度或监测大气污染的气体传感器；l利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。（d）相位调制传感器）相位调制传感器l被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）l优点：灵敏度很高，l缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。4.4 光纤传感器

18、4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用4.4.5 光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。4.4 光纤传感器4.4.1光导纤维的结构和导光原理4.4.2光导纤维的主要参数4.4.3光纤传感器结构原理4.4.4光纤传感器的分类4.4.5光纤传感器的特点4.4.6光纤传感器的应用光纤传感器的应用4.4.6 光纤传感器的应用强度调制型：强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号

19、转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。光光纤纤压压力力传传感感器器（1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤形光纤2壳体壳体3膜片膜片P与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为式中式中,膜片材料的密度；膜片材料的密

20、度；g重力加速度。重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。差动式膜片反射型光纤压力传感器差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤输出光纤2输入光纤输入光纤3输出光纤输出光纤4胶胶5膜片膜片两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比A常数；常数；p待测量压力待测量压力输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，

21、得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。光纤压力传感器光纤压力传感器利用压力使光纤变形，进而影响光纤中传输光的强度，构成强度型光纤压力传感器。图光弹性式光纤压力传感器1、7起偏器；2、81/4波长板；3、9光弹性元件；4、10检偏器；5光纤；6自聚焦透镜线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光光源光源光源光源1 12 23 34

22、 4P P圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。(P126)（b）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器 l光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。现双折射现象。1光源光源2、8起偏器起偏器3、91/4波长板波长板4、10光弹性元件光弹性元件5、11检偏检偏器器6光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器光弹性式光纤压力传感器 在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量

23、振动、加速度加速度（c）微弯式光纤压力传感）微弯式光纤压力传感l基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。1聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜2可动变形板可动变形板3固定变形板固定变形板4、5光纤光纤微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头Endthe4.4 光纤开关与定尺寸检测装置光纤开关与定尺寸检测装置光光纤纤开开关关与与定定尺尺寸寸检检测测装装置置是是利利用用光光纤纤中中光光强强度度的的跳跳变变来来测测出出各各种种移移动动物物体体的的极极端端位位置置，如如定定尺尺寸寸、定定位位、记记数数等等。特特别别是是用用于于小小尺尺寸寸工工件的某些尺寸的检测有其独特的优势。件的某

24、些尺寸的检测有其独特的优势。标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当当光光纤纤发发出出的的光光穿穿过过标标志志孔孔时时，若若无无反反射射，说说明明电电路路板板方方向向放放置置正正确。确。光纤光纤 耦耦合器合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤 采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC IC 芯芯片片引引脚进行检测脚进行检测遮断型光纤光电开关遮断型光纤光电开关定位定位条形码检测条形码检测4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术光栅传感器的结构l光栅传感

25、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。光栅传感器光源：光栅传感器光源：l钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）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。l半导体发光器件: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。尺身尺身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光栅的外形及结构光栅的外形及结

26、构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头（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光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）反射式光栅反射式光栅透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术什么是光栅？什么是光栅？由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件abW光栅栅距光栅栅距或或光栅常数光栅常数什么是光栅在玻璃尺（或金属尺）或玻璃

27、盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。a栅线的宽度b缝隙的宽度W光栅的栅距W条纹间距条纹间距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？莫尔现象演示莫尔现象演示条纹位置条纹位置方向不同方向不同条纹运动条纹运动方向不同方向不同4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原

28、理4.5.6细分技术莫尔条纹形成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定光栅常数与光栅夹角决定4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术莫尔条纹特性莫尔条纹特性1.1.莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在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很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差

29、。差。2.2.当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，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）；光栅反向移动，莫运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。尔条纹亦反向移动。3、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随、莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。着光栅刻线夹角而改变。4、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线、莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。数相等。LWL条纹间距大大增加条纹间距大大增加条纹间距大大增加条纹间距大大增加L=W/sinL=W/sin 分辨力分辨力

30、=W=1/50=0.02mm=20 m放大倍数放大倍数1/=1/(1.8 3.14/180)31.83莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度L=W/0.637mm 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？莫尔条纹技术的特点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。例：当时得l莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。l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

31、对于精度没有直接的影响。例如：设，接收元件为10 x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。莫尔条纹技术的特点光栅副：指示光栅主光栅 光电元件 l包括有光电池和光敏三极管等部分。l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。4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术光栅的光路l透

32、射光路l反射光路（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。（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。4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4

33、光栅的光路4.5.5辨向原理辨向原理4.5.6细分技术辨向原理单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。辨向光路设置在相距的位置上设置两个光电元件在相距的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向

34、移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。辨辨向向电电路路各各点点波波形形图图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u1u1u1u1ffu1u1ff正向移动时正向移动时

35、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u1u1u2u2u2u2u1u1ffu1u1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

36、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采用电路的手段对周期性的测量信号进采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以提高分辨率。行插值，以提高分辨率。u1L用鉴频器鉴取四个信号的零电平，用鉴频器鉴取四个信号的零电平，当每个信号从负到正过零点时发一个计数脉冲当每个信号从负到正过零点时发一个计数脉冲L

37、nW/nW为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信为光栅设计的专用信号处理单元号处理单元 （光（光栅插补器）栅插补器）功能同上页功能同上页光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3 3个自由度）个自由度）数显表数显表光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 （3 3个自由度）（续）个自由度）（续）2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表

38、X位移位移显示显示Y位移位移显示显示3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表光栅数显表（续）光栅数显表（续）三座标三座标数显表数显表SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显箱功能光栅数显箱功能:公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目标值停机到达目标值停机PCD圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目标值显示电蚀深度目标值显示实时工作位置显示实时工作位置显示掉电记忆掉电记忆光栅数显表（续）光栅数显表（续）设定按键设定按键比较比较比较比较电路电路电路电路驱动驱动驱动驱动装置装置装置装置伺服伺服伺服

39、伺服电动机电动机电动机电动机信号处理电路信号处理电路信号处理电路信号处理电路工作台工作台工作台工作台光栅光栅光栅光栅传感器传感器传感器传感器位置指令位置指令位置指令位置指令PPccPPee位置偏差位置偏差位置偏差位置偏差位置反馈位置反馈位置反馈位置反馈PPff数控机床的位置控制系统数控机床的位置控制系统数控机床的位置控制系统数控机床的位置控制系统 安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部精细位移难测量精细位移难测量请来光栅帮帮忙请

40、来光栅帮帮忙要想真正测的准要想真正测的准莫尔条纹最紧要莫尔条纹最紧要如何保证精度高如何保证精度高辨向细分少不了辨向细分少不了4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术细分技术细分技术l提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。l细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。（1）直接细分l直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔

41、条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。l优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。l缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。未未细细分分(a)与与细细分分(b)的的波波形形比比较较（2）电阻电桥细分法（矢量和法）用此信号去触发施密特电路电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分（c）电阻链细分法（电阻分割法）等电阻链细分电路等电阻链细分电路实质：用电阻衰减器来进行细分。实质：用电阻衰减器来进行细分。Endthe4.5作业P1341,4,5,7,8,9,10,11,12人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。