第四节 第四节 光栅式传感器 光栅式传感器 光栅定义与特点 一、计量光栅的种类 二、莫尔条纹 三、光栅式传感器 四、光学编码器 返回 光栅－能使入射光的振幅或相位，或者 两者同时产生周期性空间调制的 光学元件 应用： 几何量测量领域 长度（或直线位移）和角度（或角位移） 测量有关的精密仪器 振动、速度、应力、应变等机械量测量 返回上一页下一页 光栅式传感器特点 光栅式传感器特点 ①精度高。 大量程测量长度或直线位移仅低于激光干涉传感器 圆分度和角位移连续测量，光栅式传感器精度最高 ②大量程测量兼有高分辨力。 感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点， 但分辨力和精度都不如光栅式传感器。 ③可动态测量，易实现测量及数据处理的自动化。 ④具有较强的抗干扰能力， 对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但 不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和 灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境 较好的车间使用。 返回上一页下一页 一、计量光栅的种类 一、计量光栅的种类 利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量 基体材料分: 金属光栅和玻璃光栅； 刻线的形式分: 振幅光栅和相位光栅； 光线的走向分: 透射光栅和反射光栅； 按用途可分: 长光栅和圆光栅 返回上一页下一页 二、莫尔条纹 二、莫尔条纹 条纹的形成与光栅常数－栅距及光波长有关 栅距>>波长时 条纹产生于栅线遮光作用（几何光学） 栅距接近波长时 条纹可由衍射光干涉现象解释 返回上一页下一页 （一）形成莫尔条纹的光学原理 （一）形成莫尔条纹的光学原理 θ B W 1 W 2 a a b b 长光栅莫尔条纹的周期为 θcos2 21 2 2 2 1 21 WWWW WW B ?+ = 返回上一页下一页 莫尔条纹重要特性： 莫尔条纹重要特性： 1．运动对应关系 2．位移放大作用 3．误差平均效应 返回上一页下一页 莫尔条纹的衍射原理 莫尔条纹的衍射原理 对于栅距很小（例如W<0.005mm）的光栅 返回上一页下一页 z由光栅G 1 产生的第p级衍射光又经光栅G 2 产生 的第q级衍射光束就可以用（p、q）表示。p+q 相等的光束，用其p+q值来称作该组光束为某 级组，如0级组，1级组，-1级组，……。 z理论推导证明，每一级组中的光束是相互平行 的，即光束方向相同。每一级组中的诸光束相 互干涉，就形成了莫尔条纹。 z其中，p+q=1和p+q=-1级组光束强度变化幅度 最大，它们形成莫尔条纹的基波条纹。其它各 光束级组形成莫尔条纹的高次谐波。 返回上一页下一页 （二）莫尔条纹的种类 （二）莫尔条纹的种类 1．长光栅的莫尔条纹 2．圆光栅的莫尔条纹 返回上一页下一页 1．长光栅的莫尔条纹 ．长光栅的莫尔条纹 （1）横向莫尔条纹 W 1 ＝W 2 =W，θ≠0 （2）光闸莫尔条纹 W 1 =W 2 =W，θ = 0， （3）纵向莫尔条纹 W 1 ≠W 2 ，θ=0， （4）斜向莫尔条纹 W 1 ≠W 2 ，θ ≠ 0， 返回上一页下一页 2．圆光栅的莫尔条纹 ．圆光栅的莫尔条纹 （1）径向光栅莫尔条纹 ①圆弧形莫尔条纹 ②光闸莫尔条纹 ( 2 ) 切向光栅的莫尔条纹 返回上一页下一页 三、光栅式传感器 三、光栅式传感器 z工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象进行测量 z组成： 光源＋标尺光栅＋指示光栅＋光电器件 透射式光栅传感器 反射式光栅传感器 返回上一页下一页 （一）透射式光栅传感器 （一）透射式光栅传感器 发光二极管 玻璃尺基 光电元件 标尺光栅 指示光栅 透 射 式 长 光 栅 透 射 式 长 光 栅 返回上一页下一页 （二）反射式光栅传感器 （二）反射式光栅传感器 金属尺基 指示光栅 标尺光栅 发光二极管 光电器件 透镜 一般用在数控机床上，主光栅常为金属光栅，坚固耐用， 线膨胀系数与机床基体的线膨胀系数接近，能减小温度误差 返回上一页下一页 四、光学编码器 四、光学编码器 z一种绝对码测量系统。 显示器显示的数值 编码器的位置（绝对坐标值） 编码器的任一确定的位置 一个固定的编码状态 停电或关机都不会造成测量值的废弃 直线型码尺 旋转型码盘 一一对应 一一对应 不是累加脉冲 返回上一页下一页 绝对码编码器 绝对码编码器 z通过读取编码盘上的图案来表示轴的转角位置 2 3 2 2 2 1 2 0 二进码 循环码 返回上一页下一页 z纯二进制编码方式的缺点是码道刻划不精确， 会造成粗大读数误差 循环码码盘只要适当限制各码道的制作误差和 安装误差，不会产生粗误差。由于这一原因使 得循环码码盘获得了广泛的应用。 z绝对码编码器的特点绝对码编码器的特点： 可以直接读出长度或角度坐标的绝对值； 没有累积误差；电源去掉后位置量不会丢失； 编码器抗干扰能力强，受电子噪声及电源波动 等影响小。但是分辨力越高，码道数就越多， 使得结构复杂，价格昂贵。 返回上一页