4第四章 常用传感器3.ppt

4.7光栅式传感器 一、概述 1.光栅： 是一种在基体上刻制有薄间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。 基体有玻璃、金属等。 玻璃：没有刻线的地方透光，刻线处发黑不透光。 金属：没有刻线的地方反光，刻线处发黑不反光。 如透射光栅的示意图，图中a为刻线宽度，b为缝隙宽度，形成黑白相间的细小条纹。a+b=W称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常情况下a=b或a:b=1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。 例如，50线/mm,即W＝0.02mm，a＝b＝0.01mm 光栅传感器又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成图c)。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长，以扩大测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d(取d=W2／λ，λ——有效光波长)，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。 2.光栅式传感器的特点 （1）精度高 长度测量：高达0.5～3um，即k％＝1.7x10-7％，行程为1m时分辨率高达0.05um。 角度测量：分辨率可达0.1‘‘，误差为0.15‘‘。 在长度测量方面仅次于激光干涉式传感器，在角度测量方面精度是最高的。 （2）可实现动态测量 （3）抗干扰能力强。 比激光干涉式强，但低于磁栅，油污、灰尘、铁屑等的污染。光源比磁源稳定。 （4）高精度大量程的传感器制作成本高。 （5）测量范围大(几乎不受限制)。 3.用途 多用于数控机床上的直线位移和角位移的测量，还用于工具显微镜、三座标测量机、分度头和一些位移量同步比较的动态测量仪器。 二、工作原理 1. 莫尔条纹： 当指示光栅和标尺光栅重叠线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应(对线纹密度≤50条／mm的光栅)或光的衍射作用(对线纹密度≥100条／mm的光栅)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(确切地说是两线纹夹角的等分线上)，产生出亮暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”。 2.莫尔条纹特征： 1）莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 2)在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。 3)莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角θ之间的关系为 从式中可以看出，W一定时，θ越小，则BH越大。这相当于把栅距放大了1／θ倍，提高了测量的灵敏度。 例如：W＝0.02mm，a＝b＝0.01mm， θ＝0.1o＝0.1 x π/180o=0.001745rad, 则BH＝11.4592mm， 放大倍数k＝BH / W＝1／θ≈573。 虽然栅距为0.02mm，其透光间隙只有0.01mm用眼难于观测到，但其莫尔条文宽达1cm以上，是明晰可见的。θ越小莫尔条文越宽，所以通过调节夹角，就可以改变莫尔条文的宽度B。 三、测量原理 凸透镜的作用是将光源变为平行光，光源为发光二极管，如硅光电二极管、2砷化镓二极管，主光栅为标尺光栅，也称透射长光栅，其长度就等于量程。指示光栅是一个比主光栅短得多的光栅。 两块光栅沿刻线垂直的方向（长光栅的长度方向）作相对运动，莫尔条文沿着夹角θ平分线方向运动。主光栅移动，指示光栅不动。当主光栅移动的方向不同时，莫尔条文的移动方向也不同。如表 当标尺光栅（主光栅）沿垂直于刻线的x方向每移动一个栅距W时，莫尔条文移过一个条纹间距BH。 若用光电元件（如光电接收二极管）接收莫尔条纹移动时光的强度信号。 光线通过缝隙所形成的莫尔条文的光的强度分布近似成正弦，因而，当莫尔条文移动时，光电接收二极管中电流变化也是正弦信号，且当莫尔条文移动一个栅距BH时，电流的变化也正好是一个周期（2π弧度），所以若能识别出正弦电流波的一个周期，就可知道光栅标尺移动了一个栅距W。 电流或电压与位移x的关系 当位移变化一个栅距，即x＝W时正弦信号的相位变化2π弧度，所以当位移为x时，其相位为2π?x/W=2π/W? x。 若光电接收管放在a－a线上，即起始位置为莫尔条文的中心线，此时电信号的幅值最大，当x变化一个栅距时，电信号也变化一个2π弧度，所以电信号与直线位移x的关系为 式中 u——光电元件输出的电压信号； u0——输出信号中的平均直流分量； um——输出正弦信号的幅值； x——两光栅间的瞬时相对位移。 相对变化量（电压的变化率）为 即当x＝W/4, 3W/4, 5W/4,……时， 即电压或电流相对于位移的变化率最大，也就是