光柵傳感器PPT教學(xué)課件.ppt

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1、4.5光柵傳感器光柵作為一種光學(xué)器件，很早就有，但早期人們是利用光柵的衍射效應(yīng)進(jìn)行光譜分析和光波波長測量，直到了近代才開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測量，它的突出特點(diǎn)是精度非常高，分辨力特別強(qiáng)（長度可達(dá)0.05μ，角度可達(dá)0.1″），所以廣泛應(yīng)用于精密加工，光學(xué)加工，大規(guī)模集成電路的設(shè)計、檢測等方面,尤其是目前軍事領(lǐng)域。光柵是在一塊長條型（圓形）光學(xué)玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透光與不透光相間排列的光電器件。柵線——光柵上的刻線，寬度a縫隙寬度b柵距w=a+b（也稱光柵常數(shù)）光柵的結(jié)構(gòu)按原理和用途：物理光柵和計量光柵物理光柵：刻線細(xì)密,利用光的衍射現(xiàn)象,主要用于

2、光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。分類按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金屬）透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料反射式光柵：刻劃基面采用金屬材料按應(yīng)用類型：長光柵和圓光柵長光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，刻線相互平行；用于測量長度或線位移構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測量角度或角位移.柵距柵線寬度縫隙寬度柵距角圓光柵分類：根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分三種：徑向光柵:其

3、柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；切向光柵:其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個毫米的小圓相切;環(huán)形光柵:一簇等間距同心圓組成.若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。按柵線形式：黑白光柵和閃耀光柵黑白光柵：利用照相復(fù)制工藝加工而成,其柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)；相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀,常用刻劃工藝加工而成。4.5.1光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵副主光柵和指示光柵之間的距離d可根據(jù)光柵的柵距來選擇。主光柵和指示光柵在平行光的照射下，形成莫爾條紋。主光柵的精度決定了整個裝置的精度。光電元件把光柵形成的莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出，主要有光電池和光敏晶體管。光電元件包括有光電池和

4、光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。光柵副：指示光柵＋主光柵a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=W/2尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長柵光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜4.5.2.莫爾條紋的形成當(dāng)指示光柵和主光柵的刻線相交一個微小的夾角θ時,光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此錯開處形成亮帶。在與光柵

5、線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。長光柵橫向莫爾條紋相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距W及兩光柵夾角θ的關(guān)系為：莫爾條紋演示主光柵指示光柵莫爾條紋移動均勻刻線夾角明暗相間條紋橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角θ很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋?？v向莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ＝0，且兩光柵柵距不等時產(chǎn)生的莫爾條紋。光閘莫爾條紋：當(dāng)柵線的夾角θ＝0,且兩光柵柵距相等時產(chǎn)生的莫爾條紋。橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋縱向莫爾條紋4.5.3莫爾條紋的特征1.位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角θ的關(guān)系為：B結(jié)論：θ越小,k越大，B越大。

6、例如：θ=0.1°，W=0.02mm時θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad則：B=11.4592mm。莫爾條紋間距放大了光柵間距，令k為放大系數(shù)，則：2.可以進(jìn)行細(xì)分，提高精度莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。3.誤差的平均效應(yīng)光電元件對光柵的柵距誤差具有平均消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。（1）透射式光路1-光源2-準(zhǔn)直透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件此光路適合于粗柵

7、距的黑白透射光柵。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。4.5.4光柵的光路光源1發(fā)出光線→準(zhǔn)直透鏡2→平行光束→光柵副3、4→光電元件5接收透射式長光柵透射式圓光柵固定（2）反射式光路1反射主光柵2-指示光柵3-場鏡4-反射鏡5-聚光鏡6-光源7-物鏡8-光電電池。該光路適用于黑白反射光柵。光源6→聚集透鏡5→場鏡3→平行光呈某角度照射反射光柵副1、2上→反射鏡4→物鏡7→光電池8。反射式光柵4.5.5辨向原理單個光電元件接收一固