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1、第三节 大位移检测传感器,二、光栅位移传感器,二、光栅式位移传感器光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。,光栅式位移传感器的分类,1 测量线位移的长光栅,2 测量角位移的圆光栅,长光栅,圆光栅,由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。,莫尔条纹,光栅结构放大图,长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细线。如果将这两块玻璃
2、板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝隙透过，形成亮带（如图a-a线），而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带（b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，这些条纹称为莫尔条纹。条纹方向与刻线方向近似垂直。,莫尔条纹,根据莫尔条纹效应设计光栅传感器。,莫尔条纹,若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有,莫尔条纹,这里是弧度，如果夹角为0.10，则=0.1/180*,则BH=573W,相当于把栅距放大了573倍。,运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔
3、条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为BH=W/,越小，则BH越大。这相当于把栅距 W放大了 1/倍。如对于25线/mm长光栅而言，W=0.04mm,若=0.016rad，则 BH=2.5mm(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。可以实现高灵敏的位移测量),莫尔条纹有如下特点,当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔
4、条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。,其电压为：,莫尔条纹有如下特点,莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。,莫尔条纹有如下特点,莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即移过100 x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过的莫尔条纹也是100 x条。由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光敏元件识别。
5、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位移。,当两个光栅沿刻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（两者的运动方向相互垂直）。光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。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.莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移的检测。,1.长光栅位移传感器的工作原理,在作直线位
6、移测量时，常把前面介绍的两块光栅作成一个标尺光栅和一个指示光栅。标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条/mm或更密，栅线长度一般为612mm。,2.长光栅位移传感器,光栅的构造：,2.长光栅位移传感器,根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用光学玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属或镀以金属膜的玻璃上。,由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相同，常采用的光学
7、系统有：(1)透射式光路(2)反射式光路,3.光学系统,（1）透射式光路,光源5发出的光线经准直透镜4变成平行光，入射到指示光栅3上，经过指示光栅3和标尺光栅2，再透射到光敏元件1上。一般标尺光栅固定不动，而光源、指示光栅和光敏元件固定在被测位移体上，莫尔条纹的移动信号被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。,透射式光栅,（2）反射式光路,光源1发出的光线经聚光镜2及场镜4后以平行光束射向指示光栅5上，再经标尺光栅6反射后形成莫尔条纹，通过反射镜3和物镜系统7把莫尔条纹的信号送入光敏元件8上.当指示光栅与标尺光栅有相对位移时，光敏元件可接收到移动的莫尔条纹信号。,反射式
8、光栅,长光栅式位移传感器的特点长光栅位移传感器的测长精度可达0.53m(3000mm范围内)，分辨力可达0.1m,可进行无接触测量,用两块刻线数目相同，切线圆半径分别为r1、r2的切向圆光栅同心放置，所产生的环形莫尔条纹如图所示,4.圆光栅,其条纹间距为,用两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，偏心量为e，这时形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如图所示,4.圆光栅,其条纹间距为,动光栅固定在转轴上，因此，可将轴旋转的角度量变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。测角精度可达0.15”，分辨力可达0.1”，甚至更高。,4.圆光栅,二、光栅式位移传感器4.
9、圆光栅(1)切向圆光栅(2)径向圆光栅,径向圆光栅 切向圆光栅,4.圆光栅,由前面分析，光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，光电元件输出就变化一个周期2，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力只有一个光栅栅距W.为了能够分辨比W更小的位移量，就要提高分辨力，一种方法是可以采用增加刻划密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制，如倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。,5.细分技术,常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等。,5.细分技术,另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分后计数脉冲
10、提高了n倍，所以细分又称倍频，细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨力。,四倍频细分法 在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差/2四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图 所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。,课堂练习,4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是（单一）,A、电阻式传感器,B、电感式传感器,C、压电式传感器,D
11、、光栅式传感器,4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是（单一）,D、光栅式传感器,1、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）,A、0.022mm,B、0.07mm,C、1.27mm,D、3.99mm,11、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm,栅线的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）,C、1.27mm,23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm脉冲，则光栅的栅距为（）（模拟一）,23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光电元件接收莫尔条
12、纹的移动信号时，分辨力为0.004/mm脉冲，则光栅的栅距为（）（模拟一）,用四倍细分，则分辨力是光栅栅距的1/4，则光栅栅距为分辨力的4倍。4*0.004=0.016mm,9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为50线/mm,当用4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为（）（模拟一）,9、四倍细分光栅式位移传感检测系统，如果栅线为50线/mm,当用4个光电元件接收莫尔条纹的移动信号时,则分辨率为（）（模拟一）,分辨率是一个光栅栅距，即1/50=0.02mm，若用四个光电元件，即经过四倍细分后，则光栅栅距为分辨力的4倍。分辨力为0.02/4=0.005mm,23、为了提高检测系统
13、的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器的输出信号进行（）（模拟四）,23、为了提高检测系统的分辨率，需要对磁栅、容栅等大位移测量传感器的输出信号进行（细分）（模拟四）,31、已知光栅式位移传感器的栅线为50线/mm，主光栅和指示光栅的栅线的夹角为0.2。(模拟四）（1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；（2）测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周期的光强信号，求测得的位移是多少？（3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？,31、已知光栅式位移传感器的栅线为50线/mm，主光栅和指示光栅的栅线的夹角为0.2。（1）求光栅莫尔条纹的间距，及莫尔条纹的放大系数；（2）测量时，若光电元件接收到莫尔条纹10个周期的光强信号，求测得的位移是多少？（3）若采用四倍细分电路，可得到的分辨力是多少？,10、若某光栅栅线为25线/mm，则四倍细分后，其分辨力是多少？,A、0.001mm/脉冲,B、0.005mm/脉冲,C、0.01mm/脉冲,D、0.02mm/脉冲,10、若某光栅栅线为25线/mm，则四倍细分后，其分辨力是多少？(密押二）,=1/25/4=0.01mm,C、0.01mm/脉冲,
