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光栅传感器Grating Sensors
§4.5 光栅传感器Grating Sensors 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 §4.5 光栅传感器 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的,它主要用于线位移和角位移的测量。 4.5.1 光栅传感器的结构原理 光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成。光栅副是光栅传感器的主要组成部分,由主光栅(标尺光栅)和指示光栅组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时,形成的莫尔条纹产生明暗交替的变化,利用光电接收器件将莫尔条纹亮暗交替的光信号,传唤成电脉冲信号,并用数字显示,从而测量出标尺光栅的移动距离。 光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅和指示光栅)和光电接收元件组成。 光栅副:指示光栅+主光栅 6.5.3 莫尔条纹技术的特点 (1)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。 ( 2 )莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化,便于将电信号作进一步细分,即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度。 (3)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对于精度没有直接的影响。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 径向光栅进行角度测量 4.5.4 光栅的光路 透射光路 反射光路 (1)透射式光路 (2)反射式光路 4.5.5 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 辨向电路 4.5.6 细分技术 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。 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 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,在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲,实现了四细分。 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。 缺点:光电元件安放困难,细分数不能太高。 (2)电阻电桥细分法(矢量和法) (c)电阻链细分法(电阻分割法) An optical displacement transducer can be fabricated with two overlapping gratings which serve as a light-intensity modulator . The incoming pilot beam strikes the first, stationary grating which allows only about 50% of light to pass toward the second, moving grating A grating principle of light modulation is employed in very popular rotating or linear encoders, where a moving mask (usually fabricated in the form of a disk) has transparent and opaque sections * * * * 第四章 第四章 a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数) 通常情况下,a=b=W/2 第四章 如图所示:透射长光栅是在光学玻璃上均匀的刻上许多条纹,形成规则排列的明暗线条。A为刻线的宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为栅距(或光栅常数)。一般a=b,也有a:b=1.1:0.9。刻线密度一般为每毫米10、25、50、100线。指示光栅类似。 光源一般为钨丝灯泡。近来也有用鉮化镓发光二极管。 光电元件包括光电池和光敏三极管。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. 第四章 4.5.2 莫尔条纹形成的原理及特点 (一) 莫尔条纹的形成原理 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙),并使两者栅线(光栅之间保持很小的夹角,于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹。 第四章 横
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