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转 光栅传感器  

2012-02-08 11:34:10|  分类: 传感器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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      光栅传感器利用光的衍射产生的莫尔条纹现象进行位移测量的,它原理、装置简单、测量精度高、可实现动态测量、具有较强的抗干扰能力,可用于非接触测量,在机电一体化系统中应用非常广泛。

一、光栅的结构和类型

内部结构:光栅均由光源、光栅副(主光栅或标尺光栅+指示光栅)、光敏元件三大部分组成。光栅副是在透明的玻璃(不透明的金属)上刻有大量相互平行、等间距的刻线(栅线),刻线是透明的和不透明的,或是对光反射的和不反射的。图中d=a+b称为光栅栅距(也称光栅节距或称光栅常数),它是光栅的一个重要参数。通常a=b

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光栅的外部结构

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光栅在机床上的安装位置(2个自由度)

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光栅的类型:在几何量精密测量领域内,光栅按其用途分长光栅(也称光栅尺)和圆光栅(光栅盘)两类。根据光的走向,又可分为透射光栅和反射光栅。

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光栅的工作原理(莫尔条纹的放大作用)

在透射式长光栅中,把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起,中间留有很小的间隙,并使两者的栅线保持很小的夹角θ 。在两光栅的刻线重合处,光从缝隙透过,形成亮带;在两光栅刻线的错开处,由于相互挡光作用而形成暗带,这些明暗相间的条纹就是莫尔条纹,它对光栅条纹有放大作用。

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莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅,每毫米刻线数为50,主光栅与指示光栅的夹角q =1.8°,则分辨力D =栅距W =1mm/50=0.02mm=20mm

    由于栅距很小,因此无法观察光强的变化

    莫尔条纹的宽度

     L ≈W/θ = 0.02mm/(1.8°*3.14/180° )

               = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm,是栅距的32倍。

    由于较大,非常有利于布置接收莫尔条纹信号的光电元件,如可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。   

光栅的信号输出:从固定点观察到的莫尔条纹光强的变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距,光强变化一个周期。

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莫尔条纹的移动量和移动方向与指示光栅相对于主光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。莫尔条纹通过光栅固定点(光电元件)的数量刚好与光栅所移动的刻线数量相等。光栅作反向移动时,莫尔条纹移动方向亦相反。如果传感器只安装一套光电元件,则在实际应用中,无论光栅作正向移动还是反向移动,光敏元件都产生相同的正弦信号,无法分辨位移的方向。为了能够辨别方向,还要在间隔 1/4个莫尔条纹间距 L的地方设置一个光电元件(类似于增量式光电编码器的辨向),因此,光栅输出的信号要经过一定的处理才能使用。

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