光栅传感器工作原理
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器通常使用光栅腔体结构，并根据物体的位移改变光栅干涉图案的特征，从而实现位移测量。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 激光发射：传感器通过激光器发射出一束单色、相干的激光光束。
2. 光栅结构：光栅位移传感器的关键部分是光栅，其由许多狭缝或光栅条组成。
光栅的条间距和条宽度具有精确的设计。
3. 干涉：被测物体与光栅之间形成干涉。
当激光光束经过光栅和被测物体后，光束被分成两个或多个光路，这些光路在后续的光程中会发生相位差。
4. 探测器：干涉光束进入光栅位移传感器的光电检测器中，检测器将干涉图案转化为电信号。
5. 信号处理：信号处理电路对传感器输出的电信号进行处理，如放大、滤波和分析。
通过测量干涉光的相对强度和相位差，可以计算出被测物体的位移。
总的来说，光栅位移传感器通过干涉效应实现位移测量，光栅的特殊结构和光栅与被测物体之间的相互作用使得光的干涉图案与物体位移相关联，从而实现对位移的测量。
几种常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器的工作原理光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1）式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。
当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。
如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。
此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。
通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。
1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。
一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。
啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。
与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。
这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。
通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。
2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。
Λ。
式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。
光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。
一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。
光栅式传感器工作原理
光栅式传感器工作原理
光栅式传感器是一种用于检测物体位置或位移的传感器。
其工作原理基于光的干涉现象。
光栅式传感器由一个光源、一个透镜和一个光栅组成。
光源发出的光线通过透镜聚焦成一个平行光束，然后照射到光栅上。
光栅是一个具有周期性透明和不透明条纹的介质。
当光线照射到光栅上时，透明和不透明的条纹会使光线发生衍射和干涉现象。
这些干涉现象会在传感器的接收器上产生一个干涉图案。
接收器由光敏元件和信号处理器组成。
光敏元件可以是光敏电阻、光敏二极管或光敏电池等。
当光线照射到光敏元件上时，光敏元件会产生对应的电信号。
信号处理器会将电信号转换为数字信号，然后根据干涉图案的变化来计算物体的位置或位移。
光栅式传感器的精度和分辨率取决于光栅的周期性和光敏元件的灵敏度。
通过改变光源的波长和透镜的焦距，可以调整光栅式传感器的测量范围和灵敏度。
光栅式传感器广泛应用于工业自动化、机器人、测量仪器等领域，用于测量和控制物体的位置、速度和位移。
光栅传感器的工作原理
光栅传感器的工作原理
光栅传感器是一种常用的光学传感器，它能够检测光束沿一个方向穿过物体的数量以及物体表面的凹凸程度。
它在机器视觉、自动控制和测量技术中得到了广泛应用。
光栅传感器的工作原理是利用光栅片，将光束分割成多份，每份光束沿着一个方向穿过物体，在另一侧接收光束的变化情况。
当物体表面的凹凸程度变化时，接收到的光束的强度也会发生变化，从而检测出物体表面的凹凸程度。
光栅传感器通常由三个部分组成：光源，光栅片和接收器。
其中，光源是一种发射光束的装置，通常是一种灯泡或激光管；光栅片是一种表面有很多条纹的物体，能够将光束分割成多份；接收器是一种用于接收光束的装置，通常由光电池或探测器组成。
当光源发出光束时，光束穿过光栅片，然后沿着一个方向穿过物体，最后到达接收器。
接收器接收到的光束的强度随着物体表面的凹凸程度的变化而变化，从而检测出物体表面的凹凸程度。
光栅传感器在机器视觉、自动控制和测量技术中得到了广泛应用，用于检测物体表面的凹凸程度，甚至可以直接测量物体表面的高度。
这种传感器在自动焊接机和自动清洗机中也被广泛使用，用于检测焊点和物体表面的污渍情况。
光栅传感器是一种重要的光学传感器，它通过检测多份沿着一个方向穿过物体的光束的变化，来检测物体表面的凹凸程度，在机器视觉、自动控制和测量技术中得到了广泛应用。
光栅传感器工作原理
光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，常用于测量物体的位置、速度、位移等参数。
其工作原理如下：
光源发射：光栅传感器中包含一个光源，通常是一种发光二极管（LED）或激光二极管（LD）。
光源发射出一束光线。
光栅结构：光栅传感器中还包含一个光栅结构，通常是一个具有精密刻线的光学元件。
光栅结构可以是一个透明的光栅条或一个具有精细线条的光栅板。
光线与光栅的交互作用：发出的光线通过光栅结构，当光线与光栅的线条相交时，会发生衍射现象。
衍射使得光线发生弯曲、分散或产生干涉等变化。
接收器接收光信号：光栅传感器还包含一个接收器，用于接收经过光栅结构后的光信号。
接收器可以是光敏电阻、光电二极管或光电二极管阵列等。
信号处理与解读：接收到的光信号经过信号处理电路进行放大、滤波和解码等处理，将光信号转换为数字信号。
参数测量：根据光栅的特定结构和测量需求，通过测量光信号的强度、频率、相位差等参数，可以确定物体的位置、速度、位移等。
光栅传感器利用光线经过光栅结构产生的衍射现象，通过接收和处理光信号，实现对物体位置、速度和位移等参数的测量。
不同类型的光栅传感器具有不同的结构和工作原理，例如位移光栅传感器、光栅编码器等，但都基于光栅结构和光信号的相互作用实现测量功能。
光栅位移传感器原理及使用方法
光栅位移传感器原理及使用方法光栅位移传感器是一种常见的测量设备，通过利用光学原理来测量物体的位移或位置变化。
它能够实时、精确地测量物体的位置，并将测量结果转换为电信号输出。
在许多领域中，如机械制造、自动化控制、航天航空等，光栅位移传感器都发挥着重要作用。
光栅位移传感器的原理是利用光的衍射现象。
它由一个固定的光源和一张带有光栅的光学元件构成。
当物体移动时，它所接收到的光栅光的衍射图样也会随之发生变化。
这些变化可以被传感器捕捉到，并转化成电信号输出。
通过分析和处理这些电信号，我们可以得到物体位移或位置变化的信息。
使用光栅位移传感器时，首先需要将传感器固定在被测量物体上。
然后，将传感器与电源和数据采集设备连接好。
在连接完成后，我们可以通过设备上的控制面板或软件设置一些参数，如灵敏度、采样率等。
在实际测量中，首先需要对传感器进行校准。
一般来说，校准是在已知物体位移的情况下进行的。
通过将传感器测量值与实际位移进行对比，可以得出一个校准曲线或公式。
这样，在未知位移的情况下，传感器就可以通过测量值计算出物体的位移或位置。
在光栅位移传感器的使用中，要注意一些关键点。
首先，传感器要与被测量物体保持良好的接触和固定，以避免测量误差。
其次，传感器的工作环境要尽量避免干扰，如强光、震动等，以确保测量精度。
另外，定期对传感器进行检测和维护，可以延长其使用寿命和保持测量精度。
总之，光栅位移传感器是一种准确、可靠的测量设备。
它的原理基于光学衍射，通过捕捉光栅图案的变化来测量物体的位移或位置变化。
在使用光栅位移传感器时，需要进行校准，并注意传感器与被测物体的良好接触、工作环境的干扰以及定期检测和维护。
通过合理使用和管理，光栅位移传感器可以为各个领域的测量需求提供准确和可靠的数据支持。
光栅传感器工作原理
光栅传感器工作原理
1.光源发出光线：光源是光栅传感器的关键部分，它可以是一种特殊
的LED或激光器。
光源通过发出光线提供光能量。
2.光栅：光栅是传感器中的另一个重要元件，它是一个具有周期性结
构的光透过物。
光栅通常由一系列平行的凹槽或凸起组成，这些凹槽或凸
起的间距是非常小的，一般为几微米。
光线经过光栅时，会发生衍射现象。
3. 光敏元件：光敏元件是光栅传感器的另一个关键部分，它可以是
光电二极管（Photodiode）、光电晶体管（Phototransistor）或光敏电
阻（Photoresistor）。
光敏元件的一端与光源相对，另一端与光栅相对。
光栅传感器中的光敏元件根据光线的强度和位置变化输出相应的电信号。
4.信号处理电路：光敏元件输出的电信号会经过信号处理电路进行放
大和过滤处理，并将处理后的信号转换为可用的测量结果，例如从光强度
读取位置或其他指标。
信号处理电路能够提高传感器的灵敏度和精度。
在使用光栅传感器时，光线会通过光栅的凹槽或凸起进行衍射，不同
的光栅结构会产生不同的衍射图案。
当光敏元件接收到被衍射后的光线时，光强度和位置会影响到光敏元件的电信号输出。
根据这些输出信号，可以
测量光线的位置、变化和强度。
总结起来，光栅传感器通过光的衍射效应实现对光强度和位置变化的
测量。
光源发出光线，光线经过光栅衍射后，被光敏元件接收并转化为电
信号，再通过信号处理电路处理，最后得到测量结果。
光栅传感器具有精
度高、灵敏度高和稳定性好等优点，被广泛应用于各种测量和检测的场合。
光纤光栅传感器的工作原理
光纤光栅传感器的工作原理
光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅结构来感知物理量的传感器。
其工作原理可以分为两个主要过程：光栅反射和光纤衍射。
在光栅反射过程中，光栅根据物理量的变化而发生形变。
当物理量作用于光栅时，光栅的周期将发生变化，导致入射光的反射光谱发生偏移。
光纤光栅传感器采用光栅的反射光谱特性来检测物理量的变化。
在光纤衍射过程中，入射光通过光栅后会发生衍射现象。
光栅栅条的周期性结构将入射光分散成一系列特定角度的衍射光。
当物理量作用于光栅时，光栅的周期性结构发生变化，从而导致衍射光的角度发生偏移。
通过检测衍射光的角度变化，可以获得物理量的信息。
综上所述，光纤光栅传感器利用光栅的反射光谱和光纤的衍射现象来感知物理量的变化。
其中，光栅反射过程利用反射光谱的偏移来检测物理量的变化，而光纤衍射过程则利用衍射光的角度变化来获取物理量的信息。
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ua
uo
' U m sin( )
注：
R R
2 1 2 2
U
' m
2 2 R1 R2
R1 R2
Um
cos
R2 R
2 1 2 R2
R1
sin
R1 R
2 1 2 R2
R2
R1 arctan R2
电压比较器 正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
0 18 36 54 72 90 108 126 144 162
得到十路方波信号，其相位依次相差18
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
0 36 72 108 144
PX
PX P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144 P P P P P P P P P P 0 36 72 108 144 0 36 72 108 144
P P P P P 0 36 72 108 144
一对正交位移信号： a 和 ub u 位移的方向： 正向时u a 超前ub
2 ub u p uP P cos( x ) W
up
u p p
反向时ub 超前u a
位移的大小： x
可见位移大小的 信息包含在信号的 相位中。
光栅传感器的测量电路
电阻链细分电路 设 up
光栅传感器的测量电路 信号 方波信号
信 号 转 换
放 大
细 分
整 形
四 倍 频 、 判 向
加 减 计 数 数 字 信 号
正弦(余弦)信号 各种接口
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
W
sin x
cos x
sin x
n1W 1 4 W n2W 2 4 W n3W 3 4 W
P P P P P 18 54 90 126 162
得到五细分（倍频）后的 PX ，P 正交方波。 Y
光栅传感器的测量电路
五细分电路实现： 注：异或门74LS86：
13 3 2 5 6 4 10 12 9 8 11
P36 P 108 P0 P 18 P 162 P90 P54 P 126
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
传 感 器
放 大 器
细 分 电 路
整 形 电 路
细 分 电 路
脉冲 当量 变 换 电 路
计 数 器
寄 存 器
计 算 机
显示 执行 机 构
辨向电路
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
光栅数字式传感器
光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻
莫尔条纹（Moire）的特性
方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 →方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓ → 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度
光栅传感器的测量电路
五细分电路
sin
56K 33K 18K
0
24K
0 10 5 3 10
2 5 2 3 5 7 10 4 5 9 10
18 36 54 72 90 108 126 144 162
cos
18K
24K 56K 33K
24K 33K
光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点
精度高： 测长±(0.2+2×10-6L)μm， 测角±0.1″ 量程大： 透射式---光栅尺长（米）， 反射式---几十米 响应快： 可用于动态测量 增量式： 增量码测量 → 计数 断电→数据消失 要求高： 对环境要求高→温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度 成本高： 电路复杂
P72 P 144
74LS86异或门
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑
小 结 ：
PX
P Y
W
光栅 相对位移 莫尔条纹 正交 正弦信号 五细分 正交 方波信号
细分后的一个方波信号 是原正弦信号按相位等分的 五分一，因此，分辨率提高 了五倍。 细分后的方波信号仍是 一对正交方波信号。
光栅传感器的测量电路
脉冲当量、最小分辨率均为 1 mm 0.0001mm 100 25 4 显示数为 3 118 100 0.0001mm 1.1875mm 4
光栅传感器的应用
开 启 式
密 封 式
光栅传感器的应用
日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心
光栅传感器的应用
思考与讨论： 问题：怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统？
x n W
(5 4)
x－位移长度； n 总计数值； W－栅距； W (5 4) 脉冲当量 －
光栅传感器的测量电路
结果显示、打印
位移长度：
显示
9898.1234
mm
x n W
总细分数
打印
其它处理
mm
线 例 ： 一 光 栅 数 显 系 统 ， 选
光栅栅距
W 1 mm 0.01mm 100
光栅传感器的测量电路
四细分、判向逻辑
正交方波信号 四细分： 一个方波内状态改变四次， 记录下状态改变的次数，则一个 方波又按相位被细分为四等分。 判向： 根据当前时刻和前一时刻的 状态，可以判断出位移的方向。
A B
1100 0110
因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态的 变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得
1
真值表：
74LS86异或门
9 8 10 13 11 12 2 5 1 3 4 6
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 0
Y AB AB
A B
Y
P Y
PX
P (( P P ) P ) Y 18 162 90 ( P P ) 54 126 PX (( P P ) P ) 36 108 0 ( P P ) 72 144
闪耀光栅（相位光栅）
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 长光栅 --- 直线位移 圆光栅 --- 角位移 构成： 主光栅 --- 标尺光栅，定光栅 指示光栅 --- 动光栅 长度 --- 测量范围； 刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅传感器的结构和工作原理
56K 18K
33K 24K 18K
56K
sin
光栅传感器的测量电路
信号整形
5V
ui
uR
sin x
5V2.7K 1.2M
ui ui uR
10K 10K 10K
13 p 13 p
＋ 1.2M － ＋ LM 339 －
2.7K u
ui
o
uo
ui
ui
uR
uR
10K
LM 电压比较器 339
cos x
光栅传感器的结构 透镜 光源 主光栅 指示光栅 光电元件
光栅副 光 路
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
按运动形式分： 直线型---主光栅为直尺形→直线移动 旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动
按光学形式分： 透射式---光源与光电元件在两侧→透射光 反射式---光源与光电元件同一侧→反射光
光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的工作原理 莫尔条纹的形成
+
位移
正弦波
莫尔条纹（Moire）
主光栅
指示光栅 均匀刻线 夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度：
B
W
W-栅距， a-线宽， b-缝宽
W=a+b ，a=b=W/2
特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
uo
0 ， p p U m 。则 u
ua U m sin x U m sin
ub U m sin( x ) U m cos 2 ub u
o
R2 (ua ub ) ub R1 R2 R1ub Ru 2 a R1 R2 R1 R2 R1 R2 U m cos U m sin R1 R2 R1 R2
cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换 标 尺 光 栅 假 如 移 动 了 一 个 栅 距
sin x cos x 得到四个信号： sin x cos x
sin x
cos x
sin x
指示光栅
cos x
光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
正弦差分信号
余弦差分信号 得到一对相位相差
四细分、判向逻辑
关于正交方波信号的讨论： 正交方波信号 位移方向信息： 正向移动时，A超前B；
A B
1100 0110
反向移动时，B超前A。 位移大小信息：
2 x 。 相位 W
正交方波信号的状态变化规律： 10 正向移动时 00 01 11 反向移动时
结论： 正交方波信号的状态变化规律为： 正向时00、10、11、01而反向时相反 一个方波状态改变四次
信号相位每变化 72 就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。