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。
光栅传感器种类
光栅传感器种类光栅传感器是一种将物体的位置、速度、方向等信息转化为电信号输出的传感器。
它通过光电转换原理，将物体所反射出的光信号转化为电信号，从而实现对物体运动状态的监测和控制。
光栅传感器广泛应用于自动化生产线、机床加工、包装印刷、物流仓储等领域。
本文将介绍几种常见的光栅传感器种类。
一、依据工作原理分类1. 光电式光栅传感器光电式光栅传感器是最基本的一种光栅传感器，它通过发射红外线或激光束，利用反射回来的信号来检测目标物体的位置和运动状态。
这种传感器具有响应速度快、精度高、适应性强等优点，但受环境影响较大。
2. 激光式光栅传感器激光式光栅传感器是一种采用激光束作为探测源的高精度测量设备。
它可以实现非接触式测量，并且具有高分辨率和高灵敏度等优点。
激光式光栅传感器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
3. 光纤式光栅传感器光纤式光栅传感器是一种采用光纤作为探测元件的传感器。
它具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，可以实现对微小变形的检测和监测。
光纤式光栅传感器广泛应用于航空航天、地震监测等领域。
二、依据应用场景分类1. 带轴承旋转编码器带轴承旋转编码器是一种将物体的角度信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的轴承结构，可以实现对旋转物体的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
带轴承旋转编码器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
2. 线性位移编码器线性位移编码器是一种将物体的位移信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的测量元件，可以实现对物体在直线方向上的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
线性位移编码器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
3. 光栅尺光栅尺是一种将物体的位置信息转化为电信号输出的传感器。
它通过内置的光栅结构，可以实现对物体在直线方向上的位置和速度监测，并且具有高分辨率和高精度等优点。
光栅尺广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
三、依据输出信号分类1. 模拟式光栅传感器模拟式光栅传感器是一种将物体运动状态转化为模拟电信号输出的传感器。
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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光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
机电一体化技术
正弦差分信号
余弦差分信号 得到一对相位相差
2
的正交差分信号
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24K 33K
56K 18K
33K 24K 18K
56K
sin
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光栅传感器的测量电路
信号整形
机电一体化技术
5V
ui
uR
sin x
5V2.7K 1.2M
ui ui uR
光栅传感器的测量电路
五细分电路信号处理过程
机电一体化技术
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
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光栅传感器的测量电路
位移信号
机电一体化技术
2 ua u p uP P sin( x ) W
up
u p p
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
机电一体化技术
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构 透镜 光源 主光栅 指示光栅
机电一体化技术
光电元件
光栅副 光 路
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
机电一体化技术
被 莫 测 尔 正 物 通过光栅 条 通过光电 弦 整 形 体 转 换 纹 元件转移 波 转 换 位 移 移 动
光栅的分类
按用途分
机电一体化技术
物理光栅 利用光的衍射现象，主要用于光谱分 析、光波长测量。 计量光栅 利用莫尔条纹现象，主要用于长度、 角度、速度、加速度、振动等物理量 的测量。 长光栅 用于长度测量
计量光栅 圆光栅 用于角度测量 透射式光栅 按光的走向 反射式光栅 按栅线的形式
径向光栅 切向光栅 环形光栅
方 逻辑电压 脉 波 转 换 冲
故
被测物体位移＝栅距×脉冲数
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光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理
机电一体化技术
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U m sin cos U m cos sin
' U m sin( )
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
ua
o
R1 R2
黑白光栅（幅值光栅）
闪耀光栅（相位光栅）
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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 )
cos x
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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 W
机电一体化技术
sin x
cos x
sin x
指示光栅
cos x
sin x cos x 得到四个信号： sin x cos x
光栅传感器的结构和工作原理
机电一体化技术
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
ub
ua
uo
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
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机电一体化技术
18 54 90 126 162
Y
P P P P P P P P P P P Y 18 54 90 126 162 18 54 90 126 162 P P P P P P P P P P 18 54 90 126 162 18 54 90 126 162
机械工程及自动化学院
倪霞林
数字信号检测系统的组成
数字信号检测系统的组成
机电一体化技术
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
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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
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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
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。
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光栅传感器的结构和工作原理
光栅传感器的结构
机电一体化技术
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
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正弦(余弦)信号 各种接口
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光栅传感器的测量电路
信号的形成与转换
机电一体化技术
W
sin x
cos x
sin x
n1W 1 4 W n2W 2 4 W n3W 3 4 W
光栅传感器的工作原理
光栅传感器特点
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光栅传感器的测量电路 信号
机电一体化技术 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
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
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P P P P P 0 36 72 108 144
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）。
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光栅传感器的测量电路