最新《传感技术与应用》第二版第10章光栅传感器
光栅式传感器介绍
工业自动化
机器人控制：光栅式传感器用于机器 人关节位置检测和速度控制
生产线监控：光栅式传感器用于生产 线设备状态监控和故障诊断
物料搬运：光栅式传感器用于物料搬 运设备的位置检测和速度控制
自动化仓储：光栅式传感器用于自动 化仓储系统的货物定位和库存管理
航空航天
1
卫星姿态控制：光栅式传感器用于 测量卫星姿态，确保卫星在轨道上
演讲人
Байду номын сангаас
目录
01. 光栅式传感器原理 02. 光栅式传感器技术特点 03. 光栅式传感器应用案例
光栅结构
01 光栅是由一系列平行、等间距的狭缝或小孔组成的光学元件。 02 光栅的主要功能是衍射和干涉，使得光线在通过光栅时产生
不同的衍射和干涉现象。
03 光栅式传感器的原理是利用光栅的衍射和干涉特性，通过检 测光栅上的光信号变化来测量物体的位移、速度等物理量。
03
血压计：测量血压，
监控血压变化
02
呼吸机：监测呼吸频
率和深度，辅助呼吸
01
心电图仪：测量心脏
活动，诊断心脏疾病
04 光栅式传感器具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优 点，广泛应用于各种测量和控制领域。
工作原理
01
光栅式传感 器主要由光 源、光栅、 接收器、信 号处理电路 等部分组成。
02
光源发出光 束，照射到 光栅上，形 成一系列明 暗相间的条
纹。
03
接收器接收 这些条纹， 并将其转换 为电信号。
04
光栅式传感器可以测量微小位移和角 度，精度可达微米级。
光栅式传感器可以测量高速运动物体 的位移和速度，精度不受速度影响。
光栅式传感器可以测量温度、压力等 物理量，精度较高。
光栅传感器的工作原理和应用
光栅传感器的工作原理和应用工作原理光栅传感器是一种利用光栅原理进行测量的传感器。
它通过测量光线通过光栅时的衍射或干涉效应来获取目标物体的信息。
光栅传感器通常由光源、光栅、检测器和信号处理器等组成。
光源光源是光栅传感器的关键组成部分，它会产生一束光线。
常用的光源包括激光器、LED等。
光源发出的光线会经过光栅的作用。
光栅光栅是光栅传感器的核心部件，它是由一定规律排列的透明或不透明条纹组成的。
光线经过光栅时，会发生衍射或干涉现象，这种现象可以被用来实现测量。
检测器检测器是用来捕捉经过光栅后的光线并将其转化为电信号的部件。
常用的检测器包括光电二极管、光敏电阻等。
检测器会将光线的强度、波长等信息转化为电信号。
信号处理器信号处理器用于分析和处理检测器输出的电信号。
它可以对信号进行放大、滤波、数学运算等操作，最终得到目标物体的相关信息。
信号处理器可以是专用的芯片，也可以是嵌入式系统或计算机。
应用光栅传感器具有很广泛的应用领域，以下列举了几个常见的应用场景：1.位移测量：光栅传感器可以用来测量物体的位移，例如工件的位置、机械零件的运动距离等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的位移信息。
2.角度测量：光栅传感器可以用来测量物体的旋转角度，例如地平仪、陀螺仪等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的角度信息。
3.表面形貌测量：光栅传感器可以用来测量物体的表面形貌，例如薄膜的厚度、曲率等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体表面的形貌信息。
4.速度测量：光栅传感器可以用来测量物体的速度，例如车辆的速度、机械零件的转速等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的速度信息。
5.压力测量：光栅传感器可以用来测量物体的压力，例如材料的拉伸、压缩等。
通过测量光栅的衍射或干涉效应，可以得到目标物体的压力信息。
以上仅是光栅传感器的一些常见应用场景，实际上光栅传感器的应用还可以延伸到更多领域。
光栅传感器
光栅传感器1. 概述光栅传感器是一种用光学原理来测量或检测物体位置、速度或变化的设备。
它由发光源、光栅结构和接收器组成，其工作原理是通过光栅结构对光的干涉和衍射效应进行测量和分析。
2. 工作原理光栅传感器的工作原理基于光的干涉和衍射效应。
光栅结构是在透明介质上刻制有大量平行的条纹，这些条纹被称为光栅。
当光通过光栅结构时，会发生干涉和衍射效应，形成一系列亮暗的条纹。
这些条纹的性质和位置与光栅的特性以及物体与光栅之间的距离密切相关。
根据光栅传感器的类型和应用，可以采用不同的光栅结构。
常见的光栅结构包括位移光栅、角度光栅和频率光栅等。
光栅传感器的基本工作原理可以分为以下几个步骤：1.发光源发出一束光，经由透镜或反射后照射到光栅上。
2.光栅结构对光进行干涉和衍射，形成一系列亮暗的条纹。
3.通过接收器接收到被物体反射或透射的光，将光的特性进行分析和测量。
4.根据分析结果计算出物体的位置、速度或变化等信息。
3. 应用领域光栅传感器在许多领域都有广泛的应用。
以下是光栅传感器常见的应用领域：3.1 位移测量光栅传感器可用于测量物体的位移。
通过测量光栅条纹的移动情况，可以计算出物体的位移距离。
位移测量在机械制造、精密加工和自动化控制等领域中非常重要。
3.2 速度测量光栅传感器还可用于测量物体的速度。
通过分析光栅条纹的变化情况，可以计算出物体的速度。
速度测量在传输系统、运动控制和机器人技术等领域中发挥着重要作用。
3.3 表面形貌测量光栅传感器还可用于测量物体表面的形貌。
通过分析光栅条纹的形态和变化情况，可以得到物体表面的高度、形状和曲率等信息。
表面形貌测量在材料科学、精密加工和质量控制等领域中有广泛的应用。
3.4 液位检测光栅传感器还可用于液位检测。
通过测量光栅条纹在液体中的变化情况，可以判断液体的高度和位置。
液位检测在油田、化工和环境监测等领域中具有重要意义。
3.5 目标检测与识别光栅传感器还可用于目标检测与识别。
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。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
光栅传感器原理及应用
高精度测量
光栅传感器具有高精度和稳定 性，可实现微米级别的测量精 度。
大范围测量
光栅传感器适用于大范围的测 量，可以涵盖从微小运动到大 范围位移的应用。
光栅传感器的优势和局限性
1 优势
光栅传感器具有高精度、高响应速度和非接 触式测量的优势。
2 局限性
受光源和环境影响较大，不适合在极端光照 和恶劣环境下使用。
光栅传感器的发展趋势
1
更小的尺寸
随着技术的发展，光栅传感器将越来越小，适用于更多的微型设备。
2
更高的分辨率
未来光栅传感器将实现更高的分辨率，提供更准确的测量结果。
3
智能化应用
光栅传感器将与其他传感器和智能系统集成，实现智能化的自动控制和决策。
光栅传感器原理及应用
光栅传感器是一种用于测量物体位置和运动的设备。它基于光栅的原理，通 过测量光栅与物体之间的相对位移来获取准确的测量结果。
光栅传感器的工作原理
光栅传感器利用光栅结构上的编码信息，通过光栅与读写头之间的光信号反射和干涉来测量物体的位置或运动。
光栅通过周期性的光透明区域和光不透明区域形成，使得经过光栅的光束发生干涉。根据干涉条纹的变化，传 感器可以计算出物体的位移。
结论和总结
光栅传感器是一种具有广泛应用前景的传感器技术，它在自动化生产、测量导航和医疗领域都有重要作用。随 着技术的发展，光栅传感器将进一步提升精度和功能，推动科技进步。
光栅传感器的应用领域产线，用于检测物体 的位置和运动。
测量和导航
光栅传感器可以用于测量仪 器以及车辆导航系统中，提 供准确的位置信息。
医疗领域
第10章 光栅传感器
光栅在机床上的安装位置（2个自由度）
38
光栅在机床上的安装位置（3个自由度）
数显表
39
3自由度光栅数显表
40
3自由度光栅数显表
41
安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件 光栅扫描头 防护罩内为直线光栅 42
作业
1.光栅传感器主要由哪几部分组成？各自 的作用是什么？ 2.什么是光栅细分技术？ 3.什么是莫尔条纹？莫尔条纹具有哪些性 质？
L
15
莫尔条纹演示
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
16
（1）莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光栅中，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。
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。 32
按光源照射方法
按制造光栅材料
透射光栅
玻璃光栅 金属光栅
优点：光源垂直入射，信号幅值较大，信噪比好，光电转换器的结构简单； 光栅每毫米的线纹数多，减轻了电子线路的负担。
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（三） 光电接收元件
• 1、硅光电池 硅光电池工作面积大，不需外加电源。受光
照面为正极，背面为负极，结构为一薄片，体积 不大，外形有方形和圆形两种。
• 2、光电二极管 光电二极管在电路中反向工作。光电二极管
化电路。
• 光栅传感器组成：
照明系统、光栅副、光电接收元件和机械部件。
（一） 照明系统
• 照明系统主要由光源和透镜组成，有时需 要设置光阑，也有的采用光导纤维传输照 明光束。
1、光源的选择 光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种 单色光源有激光、汞灯等， 普通光源多用光学仪器用6V6W白炽灯泡，2、准直 Nhomakorabea镜参数的确定
《传感技术与应用》第二 版第10章光栅传感器
第10章 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 光栅传感器的优点 （一一）、、光光栅栅基分础类知及识高广化结精 泛 等构度应领、用域高于。分静辨态率测和量大、动动态态范测围量，和因自而动
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，可分为幅值光栅和相位光栅按光栅应用
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能方便地输出多相（一般要求两相或四相）信号； ③工作寿命长，更换元器件简便，调整方便、容易； ④在满足精度要求的前提下，尽量使结构简单，制造容易 ⑤若有光学倍频作用，可以减小电子细分的倍数，从而简
2、反射直读式光路
• 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
1、透射分 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。
2、反射分光式 光学系统
• 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。
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
• 光栅——由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件
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。
有方形的，圆形的，也有光电二极管组合件，它 是将十几个管子做成一体。
• 3、光电三极管 光电三极管的电流灵敏度高，其稳定性也不
如光电二极管。光电三极管也有组合件。
结束语
谢谢大家聆听！！！
20
• ①透镜的通光口径 • ②透镜的型式和焦距
栅距较大，而光栅间 间隙较小时，常采用单片 平凸透镜，并使平面朝向 灯丝以减小象差。
在大间隙时，为减小象 差，特别是色差，应采用 双片平凸透镜，并使两者 的平面都朝向灯丝，或者 用消象差的双胶合透镜。
（二） 光栅副
• 1、主光栅 • ①材料的选择 制作光栅的材料有玻璃和金属两类。 • ②栅距的选择 • ③栅线线宽和长度的选择 • 2、指示光栅 • 指示光栅用光学玻璃制作，其栅距除少数特殊情况
• 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）直接接收式光学系统
• 1、透射直读式光路 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。
图示为 数控机 床中的 小型光 栅式传 感器