《传感技术及应用》(第二版)第10部分光栅传感器.ppt

《传感技术与应用》（第二版） 第10章 光栅传感器 光栅传感器——利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置 光栅传感器的优点 （二）莫尔条纹原理与特点 莫尔条纹具有三个特点： 1、莫尔条纹具有位移放 大作用 2、莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系 3、误差减小作用 莫尔条纹演示 二、光栅传感器的工作原理 （一）光电转换原理 （三） 辨向原理 当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差π/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。 三、莫尔条纹细分技术 （一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又可分为直接细分、电桥细分、示波管细分和锁相细分等。 3、机械和光学细分。 （二）直接细分 （三） 电位器桥细分 为了得到较高的细分数，将直接细分得到的四个相位差为π/2的正弦交流信号UmSinφ、UmCosφ、-UmSinφ、-UmCosφ（φ=2πX/ω）输入到电位器桥，电位器桥常用于进行12～60（为4 的整倍数）细分。 四、 光栅传感器的误差 单件光栅的误差是由刻划工艺和刻划设备决定的。计量光栅大多数是在构成莫尔要纹的情况下使用。由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。 长光栅栅距误差一般为微米（μm）数量级，圆光栅为秒（”）角数量级。 五、常用光学系统（一）直接接收式光学系统 1、透射直读式光路 光源1发射的光经准直透镜2变成平行光束，垂直投射到主光栅3上，它和指示光栅4形成的莫尔条纹信号直接由光电元件5接收。 2、反射直读式光路 光源6经聚光镜5成平行光束以一定的角度通过场镜3射向指示光栅2，莫尔条纹是由主光栅1反射回来的光线与指示光栅2作用形成的，经反射镜4反射后由物镜7成象被硅光电池8接收。 （二） 分光式光学系统 光源1发出的光经聚光镜2变成平行光投射到光栅副3、4上，经衍射后在无限远处形成莫尔条纹。用聚光镜6将与光轴平行的某r级组的衍射式光聚集于放在焦面处的光电元件8上，用光阑7挡住会聚于光轴两侧的其它级组的衍射光。光阑7有一条窄缝，其方向平行地横向莫尔条纹的方向，用以在光栅面上截取一条光缝，限制光电元件接收视场面的大小，使之在主光栅移过一个栅距时，会聚于光电元件8上的光强亮暗变化一次，从而能够接收互莫尔条纹信号实现测量。 2、反射分光式光学系统 光源1发出的光经准直透镜2变成平行光束垂直入射到分光棱镜3，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光线射到闪耀光栅4的A、B两点。闪耀光栅具有等腰三角形线槽。使光栅在自准状态下工作，即光束垂直投射到线槽面时，由物理光学可知，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光棱镜3。这样，由A、B两处返回的两路衍射光经分光棱镜3都投射到透镜5。这两路衍射光是相干的，相遇后发生干涉，产生的条纹图象经透镜5由光电元件6接收。 六、光栅传感器设计要点 设计光栅传感器的要求： ①能输出稳定的信号，对来自机械、光学及电路等方面的干扰不敏感； ②能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号； ③工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易； ④在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易 ⑤若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简化电路。 光栅传感器组成： 照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。 （一） 照明系统 照明系统主要由光源和透镜组成，有时需要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照明光束。 2、准直透镜参数的确定 ①透镜的通光口径 ②透镜的型式和焦距 栅距较大，而光栅间 间隙较小时，常采用单片 平凸透镜，并使平面朝向 灯丝以减小象差。 在大间隙时，为减小象 差，特别是色差，应采用 双片平凸透镜，并使两者 的平面都朝向灯丝，或者 用消象差的双胶合透镜。 （二） 光栅副 1、主光栅 ①材料的选择 制作光栅的材料有玻璃和金属两类。 ②栅距的选择 ③栅线线宽和长度的选择 2、指示光栅 指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况外，都和主光栅的栅距相等。指示光栅的直径同准直透镜的直径相等，栅线的刻划区域依光电接收元件的尺寸确定。 （三） 光电接收元件 1、硅光电池 硅光电池工作面积大，不需外加电源。受光照面为正极，背面为负极，结构为一薄片，体积不大，外形有方形和圆形两种。 2、光电二极管 光电二极管在电路中反向工作。光电二极管有方形的，圆形的，也有光电二极管组合件，它是将十几个管子做成一体。 3、光电三极管