4.2.1光栅传感器测量位移（光栅的结构）（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

● 项目——位移检测 ● 任务——数控机床位移检测（光栅的结构） 1 ► 任务导入 光栅传感器测量位移 精确测量位移、长度和零件尺寸 光栅数显测量系统 精度高，安装及操作容易，价格低，回收投资快 ► 光栅式位移传感器 光栅传感器测量位移 定义：光栅式位移传感器是一种数字式传感器，它直接把非电量转换成数字量输出。 特点 应用 √ 检测精度和分辨率高 √ 抗干扰能力强 √ 稳定性好 √ 易与微机接口 √ 便于信号处理和实现自动化测量等 √ 易实现系统的自动化和数字化 √ 用于高精度机床和一起的精密定位或长度、速度、加速度及振动等方面的测量 3 ► 光栅式位移传感器 光栅传感器测量位移 光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。 一、光栅的分类——按用途 计量光栅 物理光栅 利用光的衍射现象 主要用于光谱分析、光波长测量 利用莫尔条纹现象 用于长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量 又称光栅尺，用于长度或直线位移的测量 √ 长光栅 又称光栅盘，用于角度或角位移的测量 √ 圆光栅 4 ► 光栅的分类——按光线走向 反射式光栅 透射式光栅 用光学玻璃做基体 20线-150线/mm 用不锈钢做基体 25线-50线/mm W为光栅常数，也称光栅栅距 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 w-栅距， a-线宽， b-缝宽，通常a=b 光栅的栅距w=a+b √ 光栅的精度越高，栅距W就越小； √ 一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，125, 250条/mm。 6 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 光栅副 透镜 主光栅 指示光栅 光电元件 光源 7 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 主光栅 指示光栅 计量光栅（光栅副） √ 主光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。 √ 将指示光栅和主光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间距。 8 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 主光栅 指示光栅 计量光栅（光栅副） √ 主光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动。 长光栅 9 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 主光栅 指示光栅 计量光栅（光栅副） √ 指示光栅通常固定不动，而主光栅随轴转动。 圆光栅 10 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 光电元件 √ 包括光电池和光敏三极管等部分。 √ 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源接近的光敏元件，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。 11 ► 光栅传感器的结构 光栅传感器测量位移 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔 可移动电缆 防尘保护罩的内部为长光栅 12 ► 莫尔条纹 光栅传感器测量位移 莫尔条纹的形成 当两个有相同栅距的光栅合在一起， 其栅线之间倾斜一个很小的夹角θ，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现了明暗相间的条纹。这种条纹称莫尔条纹。 1、莫尔条纹的形成 ► 莫尔条纹——莫尔条纹的形成 光栅传感器测量位移 √ 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成。 14 ► 莫尔条纹——莫尔条纹的宽度 光栅传感器测量位移 莫尔条纹间距：当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，即相邻的两明暗条纹之间的距离BH称为 例如： θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。 θ 越小，BH 越大，这相当于把栅距W 放大大了1/θ 倍。 15 ► 莫尔条纹 光栅传感器测量位移 播放中…… 当 =0, w1=w2 → B= √ 光闸莫尔条纹 16 ► 莫尔条纹 光栅传感器测量位移 √ 纵向莫尔条纹 播放动画 当 =0, w1≠w2 17 ► 莫尔条纹 误差平均效应 移动放大作用 方向对应关系 倍频提高精度 直接数字测量 莫尔条纹时由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻画误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 莫尔条纹的间距BH是放大了的光栅栅距，相当于把微小的栅距扩大了K倍，因此计量光栅起到了光学放大的作用，提高了测量精度 当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹沿光栅刻线方向移动；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向 采用倍频技术，对电信号作进一步细分，提高了测量精度。 3. 莫尔条纹的特点 $$