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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称为光栅 传感器。 光栅传感器的优点: 高精度、高分辨率和大动态范围,因而 广泛应用于静态测量、动态测量和自动 化等领域。 一、光栅基础知识 (一)、光栅分类及结构 1、光栅分类 按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。 按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。 按光栅表面结构不同,可分为幅值光栅(又叫黑 白光栅)和相位光栅(又叫闪耀光栅)。 按光栅应用分类,可分为长光栅和圆光栅。 目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅 2、光栅的结构 所谓光栅,简单地说,由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。 圆光栅有三种形式:一种是径向光,其栅线的延长线通过圆心;第二种是切线光栅,其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切;第三种是环形光栅,其栅线为一簇等间距同心圆。 (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 二、光栅传感器的工作原理 (一)光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构: 1、光源,2、聚光镜,3、主光栅(又称标尺光栅),4、指示光栅,5光敏元件,如图10—4(a)所示。 (二) 莫尔条纹测量位移原理 当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时,根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时,电信号则变化一个周期。 当波形重复到原来的相位和幅值时,相当于光栅移动了一个栅距W,如果光栅相对位移了N个栅距,此时位移x=NW。 (三) 辨向原理 如图10—5所示。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,如图10—7所示。 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)常用光学系统 1、透射直读式光路 一般的透射式光路如图10—9(a)所示。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 如图10—11所示。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。 图10—13 为四分透镜分光式电路。 2、反射分光式光学系统 图10—14所示 :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
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