应用光栅刻线与CCD测量运动位移的研究
光栅尺位移传感器原理
光栅尺位移传感器原理
光栅尺位移传感器是一种常用的测量设备，其工作原理基于光的干涉原理。
该传感器由一对平行的光栅组成，一个光栅作为参考，另一个光栅与被测物体相连，用于测量物体的位移。
当光经过两个光栅之间的空隙时，光波会发生干涉。
依据干涉原理，当两束波长相同、频率相同的光线相遇时，它们会相互干涉产生干涉条纹。
根据干涉条纹的间距变化，可以推测出物体的位移。
当物体发生位移时，连接在物体上的光栅也会随之移动。
这会导致光栅间的间距发生变化，从而改变干涉条纹的间距。
传感器通过检测干涉条纹的间距变化，可以准确测量物体的位移。
为了检测干涉条纹的变化，传感器通常使用光电检测器来接收通过光栅传递的光信号，并将其转换为电信号。
经过放大和处理后，电信号可以被转化为数字信号，从而实现对位移的测量。
光栅尺位移传感器具有高精度、高分辨率和良好的稳定性等优点，因此在许多领域中得到广泛应用。
例如，它常用于机械加工、自动化控制、精密测量等领域，用于准确测量物体的位移和运动状态。
基于CCD和FPGA的光栅位移测量系统
０ 引 言
率， 即莫尔条纹的基 频频 率 ， 在此 忽略 了输 出信号 中 ２次 及 以 上谐波 和噪声 。 如果光 栅尺移动 ， 尔条纹也相应 的移 动 ， Ｃ Ｄ输 出的 莫 则 Ｃ 相邻 的两 帧数据具 有一定的相位差 ， 设相位差 为 △ 则光栅移 西，
ｔ ｅ ｍｏｒ ｎ ｅｐ ａ ｅ ｃ ａ ｇ ，ｈ ｃ ｕ ａｉｎ ｏ ｈ ｓ ｈ ｇ ｓ ｔｅ ｇ ａｉ ｇ ｄｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔ ａｕ ． ｈ ａ ｅ ｅ ｃ ｂ ｄ ｔ ｅｄ ｒｖ ’ ｈ ｉ ｆ ｇ ｈ ｓ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｍｌｔ ｆ ａ ｅ ｃ ａ ｅｗａ ｔ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｌ ｅ Ｔ ｅｐ ｐ ｒ ｓ ｒ ｅ ｅ ａ ｅｒ ｉ ｏ ｐ ｎ ｈ ｒ ｎ ｖ ｄ ｉ ｈ ｉ
关键词 ： 光栅 ； Ｃ Ｆ Ｇ Ｆ Ｃ Ｄ；Ｐ Ａ；丌 中 图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ２６ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ２—１４ （ ００ ０ ０ ０ １０ ８ １２ １ ） ５— １３—０ ３
Ｇ ｒ ｔｎｇ Ｄｉｐｌｃ ｍ ｅ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｓｅ ｓ ｄ ｎ ＣＣＤ ｎ ａ ｉ ｓ ａ ｅ ｎｔＭ ａ ｕ ｅ ｎｔＳｙ ｔｍ Ｂａ ｅ ０ ａ ｄ ＦＰＧＡ
Ａ Ｄ ｃｎｅｔ ．Ｐ Ａｐｏｅｓｒ ｃｅｔｄｔｅ ｉ ｎｅｄｒａ ｓ ａｓ ｄｃｒ ｅ ｕ Ｆ Ｔ ｔ ｓ ｒ ｒｃｓ ａ ｃｕｄｃ ｃｌ ｅ ／ ｏｖｒ ｒＦ Ｇ ｒｃｓ ｃｐｅ ｒ ｆ ｇ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ ｉｄｏｔ Ｆ ａ ｆ ｍ ｐｏｅｓｈｔ ｏｌ ａ ｕ ｔ ｅ ｏａ ｈ ｍｏ ｅ ｒ ｉ ｌ ｇ ｎ ｎ ａ ｒ ｒｒ ｏ ｎ ｔ ｌ ａ
Ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ Ｅ ｐ ｒ ｎ ｒ ｖ ｓｔ ａ ｈ ｙ ｔ ｍ ａ ｅｔ ｒａ ｔ ｉ ｔｒｅ ｅ ｃ ｂｌ ｙ ｌｗ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔｆｒｔ ｅ ｇ ａｉ ｇ ｓ ａ ｕ ｉ ， Ａ ｒ ｃ ｓ ｏ ． ｘ ｅ ｍｅ ｔｐ ｅ ｈ ｔｔｅ ｓ ｓｅ ｈ ｂ ｔ ｎ ｉ ｎｅ ｆｒ ｎ ｅ ａ ｉ ｔ ，ｏ ｒ ｑ ｉ ｉ ｏ ｓ ｅ － ｉ ｅ ｎ ｈ ｔ ｉ ｌ ｑ ａ ｔ ｏ ｒ ｎ ｎ ｇ ｌ ｙ ｔｅ ｈ ｇ ｅ ｕ ｄ ｖ ｓ ｎ ｎ ｍｂ ｒ ｈ ｇ ｅ ｙ ｔｍ ｎ ｅ ｒｔ ｎ，ｏ ｅ ｏ ｔ ａ ｄ ｓａ ｌ ｐ ｒ ｔ ｎ ｈ ｉｈ ｒｓ ｂ ｉｉｉ ｕ ｅ ， ｉｈ ｒｓ ｓｅ ｉ ｔｇ ａｉ ｌ ｗ ｒｃ ｓ ， ｔｂ ｅ ｏ ｅ ａｉ ． ｏ ｏ ｎ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｇ ａｉ ｇ； ＣＤ； Ｐ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｒ ｎ Ｃ Ｆ ＧＡ； Ｆｒ Ｆ
叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量
也相应 移动 １ 条纹 的距 离．于 是数 出 移过 的叠 个 栅 条纹 数 目， 就可 得到 相应 的光栅 移动 的位 移． ２ １ 叠栅 条纹 ． 鉴 于本 实验采 用 的光栅 为 ２片相 同空频 的低 频 光栅 ， 故可 以采 用 遮 光 阴 影原 理 来 解 释叠 栅 条 纹 的 机理 ［ ．如 图 １所 示 ， ６ ］ 两光 栅 以交 角 相 叠 合（ 本实 验其 实是 一 光 栅 和 另一 光 栅 的 白成 像 相 叠 合 ） 两 光栅 的光栅 常 量 为 Ｐ。 Ｐ ， ， 和 以直 角 坐 标 系 ｒ 置 于光栅 副 中．则 透过 光线 的 区域 形 成
中 图分 类号 ： ４ ６ １ Ｔ ８ ． ０ ３ ． ； Ｎ３ ６ ５ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ５４ ４ （ ０ ７ １ －０ ３ ０ １ ｏ—６ ２ ２ ｏ ）００ ０—４
１ 引 言
叠栅 条 纹测 量 技术 作 为 现 代精 密测 量 技 术 ，
已广泛应 用 于各个 领域 ， 如机 床行业 、 量测试 部 计 门 、 空航 海 、 研 教 育 以及 国防 等 各 个 行 业 部 航 科
汪 涛 石 海 泉 陶 纯 匡 文 汝红 ， ， ，
（． １ 重庆 大学 数 理 学院 ， 重庆 ４ ０ ４ ； ０ ０ ５
２ 宜春 学院 物理 科 学与 工程 技 术 学院 ， ． 江西 宜春 ３ ６ ０ ） ３ ０ ０
摘 要 ： 叠 栅 条 纹 测 量 技 术 和 Ｃ Ｄ器 件 结 合 应 用 于 角 度 和 位 移 的 智 能 测 量 系 统 ， 系 统 利 用 光 栅 的 衍 射 自成 像 将 Ｃ 该 现象 产 生虚 拟 光 栅 ， 另 一 光 栅 形 成 叠 栅 条 纹 ， 用 Ｃ Ｄ光 电转 换 系 统 ， 量 叠 栅 条 纹 的距 离 ， 得 到 两 光栅 间 的 夹 角 ． 与 并 Ｃ 测 可
光栅位移传感器原理
光栅位移传感器原理光栅位移传感器是一种常用的测量和控制设备，它能够精确地测量物体的位移，并将其转化为电信号输出。
光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
在工业自动化、机械加工、航空航天等领域都有广泛的应用。
光栅位移传感器主要由光栅、光源、光电传感器和信号处理电路等组成。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，光电传感器接收到光栅上的光斑信号，并将其转化为电信号输出。
信号处理电路对电信号进行放大、滤波和数字化处理，最终得到位移的测量结果。
光栅位移传感器的原理基于光栅的周期性结构。
光栅是一种具有周期性光透过结构的光学元件，其上有一系列平行的透光和不透光的条纹。
当光线照射到光栅上时，透光和不透光的条纹会产生光学干涉现象，形成一系列光斑。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，通过测量光斑的移动距离和数量，就可以计算出被测物体的位移。
光栅位移传感器具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，能够实现对微小位移的测量。
在工业自动化领域，光栅位移传感器常用于机床、数控机械、机器人等设备的位移测量和控制。
在航空航天领域，光栅位移传感器也被广泛应用于飞行器的姿态控制和导航系统中。
除了在工业和航空航天领域的应用外，光栅位移传感器还被广泛应用于科学研究和医疗设备中。
在科学研究领域，光栅位移传感器常用于粒子加速器、核物理实验等领域的位移测量和控制。
在医疗设备中，光栅位移传感器常用于医学影像设备的位移测量和图像重建。
总之，光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
它具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，被广泛应用于工业自动化、航空航天、科学研究和医疗设备等领域。
随着科学技术的不断发展，光栅位移传感器将会有更广阔的应用前景。
激光位移计-CCD的工作原理与应用
激光位移计-CCD的工作原理与应用（初稿）CCD（Charge Coupled Devices）电荷耦合器件，是70年代初发展起来的新型半导体器件。
它由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith于1970年首先提出，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD基本理论。
几十年来，CCD的研究取得了惊人的进展，特别是在像感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃，最富有成果的新兴领域之一。
实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法实验仪器D激光位移计2.数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺，也可用相机。
实验原理1．C CD的基本结构电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD 的基本功能是电荷的产生、储存和转移。
一个完整的CCD 器件由像敏单元、转移栅、模拟转移寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
1．1 像敏单元MOS 的结构和感光工作原理构成CCD 的基本单元是像敏单元，其结构如图1所示，常称为MOS 结构。
在栅极G 施加正偏压G U 之前（此时G U 小于P 型半导体的阈值电压th U ），P 型半导体中的空穴是均匀分布的。
当栅极施加正向偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区。
当th G U U 时，半导体与绝缘体界面上的电势将变得如此之高，以至于将半导体内的电子吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。
反型层电荷的存在表明了MOS 结构储存电荷的功能。
图1然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，因半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。
在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸。
而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压施加在耗尽区上。
如果随后获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器是一种常用于测量物体位移的传感器。
它通过光的干涉原理实现测量，并将位移转化为光的参数，如光强或相位的变化。
该传感器由光源、光栅和光探测器组成。
光源发出一束平行光经过光栅后形成一系列等距的光斑，光斑通过与被测物体的接触或间接测量物体的位移。
光探测器接收并测量光斑的参数变化。
光栅位移传感器可以根据光斑参数的变化计算出物体的位移。
光栅是光斑形成的关键部分，它通常由一系列平行的刻有高度和间距相等的线条或凹槽组成。
光栅的刻线间距决定了光斑的大小和形状。
当光斑与被测物体接触或光栅受到物体的位移影响时，光斑的参数会发生变化。
具体的工作原理是：当光斑与被测物体接触时，物体的表面高度或形状会引起光的散射或折射，从而改变光斑的大小、形状或位置。
当光斑被改变时，光探测器会接收到变化后的光信号，并将其转化为电信号。
通过分析光斑参数的变化，可以推算出物体的位移信息。
光栅位移传感器具有高精度、快速响应和抗干扰能力强的优点。
在工业、测量、自动化等领域中广泛应用。
光栅尺在运动控制系统中的应用
光栅尺在运动控制系统中的应用作者：郑振华来源：《科技信息·中旬刊》2018年第01期摘要：论文介绍了光栅尺的结构和测量原理，着重阐述了光栅尺辨向电路的设计。
实践证明光栅尺具有精度高、速度快、工作可靠、便于安装和维护等优点，在运动控制系统中具有一定的应用价值。
关键词：光栅尺；辨向电路；运动控制1、光栅尺的结构光栅是利用光的反射、折射和干涉现象制成的一种光电检测装置，有物理光栅和计量光栅。
物理光栅刻线较密，两刻线之间栅距在0.002mm～0.005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。
计量光栅刻线较粗，栅距在0.004mm～0.025mm之间，在数字检测系统中，通常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置，尤其是在闭环伺服系统中。
光栅尺的结构如图1所示（1——光源，2——透镜，3——标尺光栅，4——指示光栅，5——光电元件）。
2、光栅尺的测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹，如图2所示。
在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。
因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。
莫尔条纹测量位移具有以下三个方面的特点：（1）位移的放大作用：如图3所示，光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度。
莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角θ之间的关系为（2）莫尔条纹移动方向：若光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。
因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。
（3）误差的平均效应：莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。
光栅式位移测量技术文献综述
（2014年6月23日科研训练论文(文献综述)学校代码： 10128 学 号：题 目：光栅式位移测量技术综述 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：测控系 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控 指导教师：光栅式位移测量技术综述摘要：光栅式位移测量技术具有其他测量技术不具备的独特优点,基于干涉的光栅技术可以获得比几何莫尔术更高的测量准确度、更高的分辨率,在诸如微电子、超精加工、生物工程等众多领域有广泛的应用前景。
本文围绕光栅式位移测量技术的基本原理，介绍了光栅莫尔条纹位移测量法以及光栅干涉位移测量法的原理，对几个光栅测量系统：经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统的测量原理进行概述，并说明了各系统的关键问题及不足之处。
对介绍的测量方法进行综合比较之后，总结了光栅测量的关键问题，并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。
关键词：光栅原理；干涉；莫尔条纹；位移测量；测量与计量1、引言几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。
其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。
近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微/纳米技术、微型机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。
纳米测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的关键技术之一,是整个纳米科技领域的先导和基础,是当前计量科学领域的重要课题。
作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,光栅技术具有其他传统测量技术所不具有的独特优点，使其广泛应用于生活生产的各个领域。
从20世纪50年代到现在，随着激光技术在精密位移测量中的应用，光栅式位移测量技术有了高速的发展。
2、光栅式位移测量技术概述位移是工程生产中比较重要的物理量之一，尤其是在数控加工方面精密位移的测量变得尤为重要。
随着社会科学技术的高速发展，工程生产中对于位移测量的要求也逐渐变得苛刻起来。
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第 ３ 卷第 ９ ４ 期
２ ０ 年 ９月 ０７
光 电工 程
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Ｖ０１ ４． ． Ｎｏ． ３ ９ Ｓ ｐ， ０７ ｅ ２０
文章编 号 ： １０ — ０ Ｘ（０ ７０ — ０ ４ ０ ０ ３ ５ １ ２ ０ ）９ ０ ８ － ５
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王选择 ，李海 华 ，杨 练根
（湖北工业大学 机械工程学院 ，湖北 武汉 ４ ０ ６ ） ３０８
摘要 ：将计量光栅作为标准刻线 ，应用到对微 细物体 高精 度定位的工作 台上 ，并提 出了一种新的直接 获取运 动位 移的方法 调整光路使 Ｃ Ｄ 获取清晰的光栅 图像 ；对 图像 进行分析处理 ，计算 出栅距 与像 素之 间的映射 关 系； Ｃ 再对 工作 台移动前后的光栅 图像 进行对比 ，采用基 于 Ｘ Ｙ图的相位差 比率算法获取像素位置差；从而计算 出工作 － 台的实际运行位移 。实验结果表 明，该方法能简单 快速 地 实现微 电子加 工领域 亚像 素级的测量。
关 键 词 ： 位 移 测 量 ； 光栅 刻 线 ； 图像 处理 ；Ｘ Ｙ图 －
中图分类号：Ｔ ０ ． Ｎ３ ５ ７
．＝＝ ＝ ’
文献标 志码 ：Ａ
Ｍ ｅ ｈｏ ｏｒｇ ｔｉ ｏ ｅ ｅ ｓ ａ ｅ ｅ ｔ ｄ ｆ ｅｔｎｇｍ ｖ ｍ ｎｔｄｉｐｌ ｃ ｍ ｎｔ ｕｓｎｇｓａ ｉ ｔ ｎｄａ ｄ ｒ ｔｃｅａ ｒ ｅ ｉｌ ｎｄ ＣＣＤ