位移检测传感器之光栅传感器
光栅传感器原理
光栅传感器原理光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。
光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。
由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。
传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。
标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。
这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。
传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。
这种传感器的优点是量程大和精度高。
光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。
在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。
光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅），二是透射光栅（也称为长周期光栅）。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅；其中，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。
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。
直线光栅位移传感器的组成
直线光栅位移传感器的组成1. 引言直线光栅位移传感器是一种常用于测量物体位置和运动的传感器。
它通过利用光的干涉原理来实现高精度的位移测量。
本文将介绍直线光栅位移传感器的组成，包括光源、光栅、检测元件和信号处理电路等。
2. 光源直线光栅位移传感器中使用的光源通常是激光二极管或发光二极管。
激光二极管具有高亮度和方向性好的特点，适合用于长距离传输。
发光二极管则更加便宜和易于集成，适用于短距离测量。
3. 光栅直线光栅是直线形状的微小凹槽或凸起结构，通常由金属或半导体材料制成。
它们被精确地分布在一个平面上，并且具有非常小的间隙。
这些间隙会对入射到光栅上的光产生干涉效应，从而形成干涉条纹。
4. 检测元件检测元件用于测量干涉条纹的位置和强度。
常用的检测元件包括光电二极管（Photodiode）和光电二极管阵列（Photodiode Array）。
4.1 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件。
它具有高响应速度、宽波长范围和较高的灵敏度。
在直线光栅位移传感器中，多个光电二极管被排列成一行，以便同时检测多个干涉条纹。
4.2 光电二极管阵列光电二极管阵列是由多个光电二极管组成的矩阵结构。
它可以在一个平面上同时检测多个干涉条纹，并且具有更高的分辨率。
通过对不同位置的干涉条纹进行采样，可以实现更精确的位移测量。
5. 信号处理电路直线光栅位移传感器中的信号处理电路负责将从检测元件获得的模拟信号转换为数字信号，并进行相应的滤波、放大和处理。
常见的信号处理方法包括模数转换（Analog-to-Digital Conversion，简称ADC）和数字滤波。
5.1 模数转换模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
在直线光栅位移传感器中，模数转换器将从光电二极管或光电二极管阵列获得的模拟信号转换为数字信号。
通过增加采样率和分辨率，可以提高位移测量的精度。
5.2 数字滤波数字滤波用于去除采集到的信号中的噪声和干扰，并提取出所需的位移信息。
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。
光栅位移传感器测距离的原理
光栅位移传感器测距离的原理光栅位移传感器是一种常用于测量物体距离的传感器。
它通过利用光栅的原理来实现测距的功能。
光栅位移传感器主要由光源、光栅、接收器和信号处理器等组成。
在光栅位移传感器中，光源发出的光经过光栅后，会形成一系列光斑。
光栅是由一条条等距分布的透明线条组成的，这些线条可以是平行的也可以是交叉的。
当光斑照射到被测物体上时，会产生光的衍射现象。
光栅位移传感器通过检测衍射光的强度来测量物体的距离。
光栅位移传感器中的接收器会接收到经光栅衍射后的光斑，并将其转化为电信号。
接收器通常采用光电二极管或光敏电阻等器件来实现。
当物体距离传感器较远时，接收到的衍射光斑会比较弱，电信号的强度也会较小；当物体距离传感器较近时，衍射光斑会比较强，电信号的强度也会较大。
因此，通过检测电信号的强度变化，可以间接地推导出物体与传感器的距离。
光栅位移传感器中的信号处理器会对接收到的电信号进行处理和分析。
它可以对信号进行放大、滤波和数字化等处理，以便更精确地测量物体的距离。
信号处理器通常由微处理器或专用的数字信号处理器实现。
光栅位移传感器具有很高的测量精度和稳定性。
它可以测量的距离范围很大，通常可以达到几十微米到数米。
此外，光栅位移传感器还可以实现非接触式测量，无需与被测物体直接接触，因此适用于各种工业和科学应用中。
光栅位移传感器在工业自动化、机器人、测量仪器等领域都有广泛的应用。
比如在机器人的定位和导航中，可以利用光栅位移传感器实现对机器人位置的准确测量；在工业生产线上，可以利用光栅位移传感器实现对产品尺寸的测量和质量控制。
光栅位移传感器通过利用光栅的原理，实现对物体距离的测量。
它具有高精度、稳定性好和非接触式测量等优点，在工业和科学领域中发挥着重要的作用。
随着技术的不断发展，光栅位移传感器的性能将进一步提升，为各种应用场景提供更加可靠的测量解决方案。
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。
光栅位移传感器
光栅尺位移传感器
GWC系列光栅位移传感器
长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移
长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源 和光电器件等组成。
主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的 直线位移而产生移动，其长度取决于测量范 围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光 栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。
这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清 晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移 动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移 测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误 差的作用
光栅位移传感器的应用 ❖ 光栅位移传感器： ❖ 测量精度高（分辨率为0.1μm）， ❖ 动态测量范围广（0～1000mm）， ❖ 可进行无接触测量， ❖ 容易实现系统的自动化和数字化。 ❖ 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
Um
U U 0 Um sin 2x
WHale Waihona Puke o W/2 W 3W/2 2W
x
光栅位移传感器的结构原理图
莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器 件称为光栅，如图7-7所示。
用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透 明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕， 每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透 光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、 50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。
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。
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光栅结构放大图
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹
长光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能 力的金属表面上，刻上相同的均匀密集的平行细 线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并 使它们的刻线间有一微小夹角，此时，由于光 的干涉效应，两块光栅的刻线相交处，光会从缝 隙透过，形成亮带（如图a-a线），而在一块光 栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带 （b-b），这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹， 这些条纹称为莫尔条纹。 条纹方向与刻线方向 近似垂直。
反射光栅的栅线刻制在具有反射率很高的金属 或镀以金属膜的玻璃上。
位移检测传感器之光栅传感器
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3. 光学系统
由于采用不同形式的光栅，光学系统也各不相 同，常采用的光学系统有：
(1)透射式光路 (2)反射式光路
位移检测传感器之光栅传感器
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（1） 透射式光路
光源5发出的光线经准直 透镜4变成平行光，入射 到指示光栅3上，经过指 示光栅3和标尺光栅2， 再透射到光敏元件1上。
一般标尺光栅固定不动， 而光源、指示光栅和光 敏元件固定在被测位移 体上，莫尔条纹的移动 信号被光敏元件接收。 每当亮带通过光敏元件 时，有一个相应的电信 号输出。
位移检测传感器之光栅传感器
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透射式光栅
位移检测传感器之光栅传感器
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（2） 反射式光路
光源1发出的光线经聚光 镜2及场镜4后以平行光 束射向指示光栅5上，再 经标尺光栅6反射后形成 莫尔条纹，通过反射镜3 和物镜系统7把莫尔条纹 的信号送入光敏元件8上.
位移检测传感器之光栅传感器
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2. 长光栅位移传感器
在作直线位移测量时，常把前面介绍的两块光栅 作成一个标尺光栅和一个指示光栅。
标尺光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量 程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统 的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。
光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100条 /mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。
光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方 向.
莫尔条纹的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光 栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。
因此可根据莫尔条纹移动的条纹数和方向，测出光栅移动 的距离和方向。光栅传感器就是根据这一原理，实现对位移 的检测。
——莫尔条纹具有位移放大作用：莫尔条纹的间距B与两光栅 条纹夹角之间关系为BH= W/θ,θ越小， 则BH越大。这相 当于把栅距 W放大了 1/θ倍。如对于25线/mm长光栅而言， W=0.04mm,若θ=0.016rad，则 BH =2.5mm
(这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹 移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现 高灵敏的位移测量)
由于莫尔条纹间距比栅距宽的多，所以能够被光 敏元件识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计 数，就可知道移动的实际位移。
位移检测传感器之光栅传感器
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1. 长光栅位移传感器的工作原理
当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则 沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。光栅每 移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH，通过测量 莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。
第三节 大位移检测传感器
二、光栅位移传感器
位移检测传感器之光栅传感器
1
二、光栅式位移传感器
光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测 量角位移的圆光栅。
位移检测传感器之光栅传感器
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光栅式位移传感器的分类
1 测量线位移的长光栅
2 测量角位移的圆光栅
位移检测传感器之光栅传感器
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长光栅
位移检测传感器之光栅传感器
x
U U U sin 2Wx 0
m
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹有如下特点
——莫尔条纹具有平均光栅误差的作用：莫尔条纹 由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的 刻划误差有平均作用。通过莫尔条纹所获得的精 度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。
——莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数。 如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm(即 移过100x条光栅栅线时），则从光电元件前掠过 的莫尔条纹也是100x条。
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹有如下特点
——当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹
的光强度随条纹移动近似按正弦规律变化。光栅移动一 个栅距W，光强变化一个周期。通过光电元件，可将莫 尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号， 如图所示。
U
Um
其电压为：
U0
o W/2 W 3W/2 2W
圆光栅
4
莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅， 如图所示。
用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻 出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的， 而两刻痕之间是透光的。
光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻 痕之间的距离为栅距W。
位移检测传感器之光栅传感器
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹
根据莫 尔条纹 效应设 计光栅 传感器。
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹
若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即 莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有
பைடு நூலகம்
WW
BH
2(sin/2)
这里θ是弧度，如果夹角为0.10，则 θ=0.1/180*π,则BH=573W,相当于把栅距放 大了573倍。
位移检测传感器之光栅传感器
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莫尔条纹有如下特点
——运动方向：当两个光栅沿刻线垂直方向作相对移动时，莫 尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）。 光栅运动方向改变，莫尔条纹的运动方向也作相应改变。
——莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例：光栅每移动一个栅 距W，莫尔条纹移动一个条纹间距BH；
位移检测传感器之光栅传感器
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光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
位移检测传感器之光栅传感器
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2. 长光栅位移传感器
根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅 和反射光栅。
透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高 时，可以采用光学玻璃；而指示光栅最好采用 光学玻璃。