精密制造基础-光学测量技术
高精度光学测量微位移技术综述
高精度光学测量微位移技术综述Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022高精度光学测量微位移技术综述***（******大学光电**学院，重庆 400065）摘要微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。
光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。
本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。
关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1 引言随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。
目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。
电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。
目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。
而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。
按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。
此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。
现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。
纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。
精密仪器专业本科课程设置
精密仪器专业本科课程设置1. 引言精密仪器专业是一门涉及物理、电子、机械和计算机等多学科交叉的学科，旨在培养具备精密仪器设计、制造和测试的能力的专业人才。
本文档旨在介绍精密仪器专业本科课程设置，以期为学生提供全面而深入的知识体系。
2. 专业基础课程2.1 电路基础 - 电路分析基础 - 信号与系统 - 电路设计与实践2.2 机械基础 - 工程力学 - 机械设计基础 - 自动控制理论2.3 物理基础 - 应用物理学 - 固体物理学 - 热学与热力学2.4 数学基础 - 数学分析 - 高等代数 - 概率统计3. 精密仪器专业核心课程3.1 光电子技术 - 光学设计与制造 - 光电子技术基础 - 光电子测量与仪器3.2 仪器仪表与测量技术 - 仪器测量与仪器分析 - 仪器设计与工程 - 传感器与检测技术3.3 精密机械设计与制造 - 精密机械设计基础 - 精密装配与调试 - 精密力学与振动3.4 控制与自动化技术 - 自动控制原理 - 控制系统设计与仿真 - 精密机电控制技术4. 选修课程4.1 先进测量技术 - 先进光学测量技术 - 先进电子测量技术 - 先进材料测量技术4.2 精密仪器仿真与优化 - 仿真技术基础 - 仪器优化设计方法 - 精密仪器仿真与验证4.3 精密制造技术 - 精密制造工艺与装备 - 精密加工与表面工程 - 特种材料与精密制造5. 实践教学为了提高学生的动手实践能力，本专业设有实践教学环节，包括实验课、实习和毕业设计等。
通过实践教学，学生能够将所学知识应用于实际项目中，培养解决问题的能力和团队合作精神。
6. 结语精密仪器专业本科课程设置旨在为学生提供系统而全面的精密仪器知识和技能培养，使他们能够胜任相关领域的工作。
通过本文档的介绍，希望学生能够对专业课程有更清晰的了解，并能够根据个人兴趣和发展方向做出合理的选课和学习计划。
零件光学超精密加工检测技术
零件光学超精密加工检测技术摘要：随着数字数控机床和加工平台的产生与发展，机械零件的加工方式也向着大批量、专一化方向发展。
导致对机械零件的需求也逐渐加大，零件的尺寸和表面加工质量是否符合标准使用要求是影响机械零件正常工作的关键，因此，对机械零件的光学超精密检测成为主要研究任务。
机械零件表面的加工质量和尺寸大小虽然对零件的正常使用影响较低，但直接影响零件的可靠性、质量和使用寿命，而机械零件使用时间决定零件经济效益。
随着光学超精密加工技术的不断发展，零件光学超精密加工检测技术已成为超精密加工迫在眉睫的关键难题。
人工智能技术是一种新兴的用于模拟、延伸和扩展的智能理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
人工智能技术中的机械学习法，使机械零件的光学超精密检测过程大大简化，并将操作结果保存在存储器中，便于后续光学超精密检测过程的快速执行。
关键词：光学检测；现状；发展引言单参数精密测量是精密测量中最简单的问题，近年来在复杂探测等问题中有了重要应用。
多参数精密测量复杂得多，参数之间存在精度制衡。
如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数最优测量，是多参数精密测量的重要问题之一。
为了消除参数之间的精度制衡，研究人员将单参数测量实验中控制增强的次序测量技术应用到多参数测量中，通过调控测量系统动力学演化，完全解决了正演化算法中参数之间的精度制衡问题，实现了最优测量。
1测量系统将四组视觉传感器单元（包括ＣＣＤ相机和激光器）分别竖直放置于精密零件两侧，垂直于精密零件中轴线，安装在精密零件两侧的立柱上；其中两组视觉传感器单元放置于精密零件一侧立柱上，另外两组视觉传感器单元放置于精密零件另一侧立柱上。
首先利用激光跟踪仪建立基坐标系统，然后对每个视觉传感器单元进行相机参数标定、光平面参数方程标定以及全局标定，最终得到相机的内参矩阵、相机到基坐标系下的全局标定矩阵以及激光平面在基坐标系下的平面方程，完成系统使用以及测量前的预处理。
光学测量技术课程的教学改革研究与探讨
光学测量技术课程的教学改革研究与探讨郭春凤，林晓艳，李澜，陈进（上海应用技术大学理学院，上海201418）光学测量技术是以光学原理为基础，融电子技术、精密机械和计算机技术为一体的一种高新技术。
随着图像采集系统和计算机的快速发展，光学测量技术被广泛应用于现代工业检测和制造行业[１]。
在市场对光学测量技术人才需求的推动下，目前全国已有几十所高校开设光电信息科学与工程专业[２]，将光学测量技术课程列为必修或选修课。
光学测量技术是笔者所在学校光电信息科学与工程专业在第五学期开设的一门重要专业必修课。
笔者所在学校十分数重视该课程的教学研究，鼓励老师们走出去学习其他高校的教学研究经验，结合我校学生的特点，形成一套适合本校实际的教学体系，培养具有较强的创新能力和工程应用能力的高端应用技术型人才。
通过论文调研、教学经验交流和企业走访，并结合近几年的教学，对光学测量技术课程的改革进行研究和探讨。
一、教学内容改革我校光学测量技术课程采用冯其波主编，清华大学出版社出版的《光学测量与应用》（高等院校光学信息科学与技术专业系列教材）。
该课程为理论课，40学时，相应实验安排在光电信息综合实验和专业综合实验课程中。
该课程注重基本概念和基本原理的讲述，同时又将理论和应用紧密联系起来。
但是，时代在进步，科技在发展，教材对理论的应用远远落后于先进技术的迅猛发展，如何将光学测量的先进技术引入课堂教学是我们教学内容改革的重点之一。
在第二章“光的干涉技术”中引入Matlab软件编程介绍，让学生能够编写两束光干涉后的干涉图样，使学生比较直观的了解双光束干涉原理，并且为后面面形检测方法编写程序打下基础。
第五章“光学三维测量技术”主要是对宏观和微观物体三维形貌的测量，这一章引入近年来研究比较热的相位测量偏折术，介绍了相位测量偏折术的原理，讲解了利用matlab语言编写相位测量偏折术检测反射镜面的过程，并加入面形测量方法研讨课，把课堂交给学生，讲解最新发表的面形测量方法，提出自己的见解和改进方案。
光学计量知识点总结
光学计量知识点总结光学计量是一门研究光学器材和系统性能的学科，是光学工程的基础。
它主要包括光学测量、光学检测及光学仪器的校准和标定。
在实际应用中，光学计量技术可以用于光学元件的表面质量检测、光学系统的性能评定和光学仪器的精密标定等方面。
在本文中，将对光学计量的基本知识点进行总结，以便读者对光学计量有一个系统全面的认识。
1. 光学测量基础知识光学测量主要是利用光学装置进行测量的一种方法。
光学测量可以分为两大类：一是利用光的传播规律进行测量，如利用光的反射、折射和干涉等现象进行测量；二是利用光的波动性质进行测量，如利用光的波长、频率和相位等进行测量。
在光学测量中，常见的方法有测距、测角、测曲率、测波前形貌等。
2. 光学材料和元件的检测方法光学材料和元件的检测是光学计量的重要内容之一。
常见的光学材料包括玻璃、晶体、塑料、金属等，而光学元件包括透镜、棱镜、反射镜、光栅等。
光学材料和元件的检测方法主要包括表面形貌检测、光学性能检测和尺寸形位检测等。
其中，表面形貌检测常见的方法有干涉法、散射法、显微观察法等；光学性能检测常见的方法有透射率测量、反射率测量、色散性测定、偏振性能测量等；尺寸形位检测常见的方法有投影法、测微术、衍射法等。
3. 光学仪器的校准和标定光学仪器的校准和标定是光学计量的另一重要内容。
校准是指利用已知标准进行检定和调整，以确保仪器测量结果的准确性和可靠性。
常见的光学仪器包括望远镜、显微镜、激光测距仪、光谱仪、干涉仪等。
而标定是指对仪器的性能参数进行定量测定和记录，一般可以通过实验数据的处理和分析来进行。
在光学仪器的校准和标定中，常见的方法有干涉比较法、激光干涉法、角度比较法、频率比较法等。
4. 光学系统的性能评定光学系统的性能评定是光学计量的又一重要内容。
光学系统通常是由多个光学元件组成的一个整体，其性能评定是指对光学系统的成像质量、分辨率、畸变、像散等进行全面评价。
在光学系统的性能评定中，常见的方法有MTF（Modulation Transfer Function）曲线法、光斑跟踪法、畸变校正方法等。
光电信息技术在精密制造中的应用
光电信息技术在精密制造中的应用第一章绪论近年来，随着科技的发展，光电信息技术在各个领域得到了广泛应用。
其中，精密制造领域是光电信息技术应用的重要领域之一。
精密制造领域对于产品的加工精度、自动化程度、生产的环节控制等要求较高，而光电信息技术在这些方面都有很好的应用价值。
本文主要介绍光电信息技术在精密制造中的应用。
第二章光电信息技术在精密加工中的应用2.1 光学检测技术光学检测技术是一种利用光学原理对物体进行检测的技术。
在精密加工中，通过使用光学检测设备对产品进行检测，可以提高产品加工质量和精度。
常用光学检测设备有激光干涉仪、红外线线扫描仪等。
这些设备能够对加工后的产品进行形状、尺寸、表面质量等各方面的检测，以保证产品符合质量标准。
2.2 光学测量技术光学测量技术是一种利用光学原理对物体进行测量的技术。
在精密加工中，通过使用光学测量设备对加工产品进行测量，可以提高产品加工精度和准确度。
其中，常用光学测量设备有激光测量仪、投影仪等。
这些设备能够对产品的直径、圆度、平行度等各方面的尺寸数据进行测量，从而提高产品的加工精度。
2.3 激光加工技术激光加工技术是一种利用激光束对物体进行加工的技术。
在精密加工中，通过使用激光加工设备进行加工，可以提高产品的加工速度和精度。
例如，在汽车制造过程中，使用激光切割技术可以将零件的切割时间减少50%以上，而且能够提高零件的加工精度和表面质量。
第三章光电信息技术在智能化生产中的应用3.1 光电传感器技术光电传感器技术是一种利用光电原理对物体进行感应和检测的技术。
在智能化生产中，通过使用光电传感器技术对工件进行检测和监控，可以实现自动化生产和智能化控制，提高产品质量和生产效率。
常用光电传感器设备有红外线传感器、光电编码器等。
3.2 光电识别技术光电识别技术是一种利用光电原理对物体进行识别和鉴定的技术。
在智能化生产中，通过使用光电识别技术对工件进行识别和鉴定，可以实现自动化生产和精准控制，提高生产效率和产品质量。
光学测量与检测技术的发展与应用
光学测量与检测技术的发展与应用光学测量与检测技术是光与物质相互作用的领域，涉及光的产生、传播、散射、反射、折射、干涉、衍射等现象。
随着科技的进步和社会的发展，光学测量与检测技术在众多领域中扮演着越来越重要的角色。
本文将探讨光学测量与检测技术的发展历程、现状及应用前景。
光学测量与检测技术的发展早期光学测量技术早期光学测量技术主要包括干涉测量、光度测量、光谱测量等。
这些技术主要应用于科学研究和天文学领域。
例如，牛顿在17世纪利用光谱测量研究了光的色散现象。
近代光学测量技术随着光学仪器和光电子技术的进步，光学测量技术得到了快速发展。
近代光学测量技术主要包括激光测量、光学三角测量、光学成像测量等。
这些技术在精密制造、航空航天、生物医学等领域得到了广泛应用。
现代光学测量技术随着光学、光电子、光子技术的飞速发展，现代光学测量技术逐渐走向集成化和智能化。
例如，基于光学干涉原理的干涉光学测量技术，基于光学成像原理的成像光学测量技术，以及基于光子集成电路的光学测量技术等。
这些技术具有高精度、高速度、高可靠性等特点，在众多领域具有广泛的应用前景。
光学测量与检测技术的应用在制造业中的应用光学测量与检测技术在制造业中的应用十分广泛，如在汽车、电子、精密机械等领域。
通过光学测量技术，可以实现对产品尺寸、形状、表面质量等参数的精确测量，从而保证产品的质量和性能。
在生物医学领域的应用光学测量与检测技术在生物医学领域具有重要作用，如荧光显微镜、共聚焦显微镜、光学相干断层扫描等技术在生物医学研究中发挥着关键作用。
此外，光学测量技术还可以应用于临床诊断，如光学相干断层扫描成像技术在心血管病诊断中的应用。
在环境监测领域的应用光学测量与检测技术在环境监测领域也具有重要意义。
例如，利用激光雷达技术可以实现对大气污染物的实时监测；利用光谱技术可以对土壤、水质等进行分析，为环境保护提供科学依据。
光学测量与检测技术的发展和应用展示了光学的巨大潜力和魅力。
精密制造中的光学测量技术研究与应用
精密制造中的光学测量技术研究与应用一、引言随着科技的不断发展，精密制造已经成为了现代工业领域中至关重要的一个部分。
然而，精密制造需要高精度的测量技术来保证产品质量，其中光学测量技术在精密制造中扮演着至关重要的角色。
本文将探讨光学测量技术在精密制造中的研究与应用。
二、光学测量技术原理光学测量技术是一种基于光学原理进行精密测量的技术。
其基本原理是通过相机等器材记录被测物体的图像，并通过计算机等辅助工具进行处理，以达到高精度、高分辨的测量结果。
目前常见的光学测量技术包括三角测量法、激光三维扫描等方法。
三、光学测量技术在精密制造中的应用1. 精密加工光学测量技术可用于计算和校正加工中的误差。
例如，在计算机数控加工中，通过光学测量技术可以对刀具和工件的几何参数进行精确的测量和分析，以便于精密加工。
在加工后，光学测量技术还可以用于检测零件和机器等设备制造的误差，以保证产品的精度。
2. 零件检测光学测量技术还可以用于零件的检测和认证。
通过将零件置于数字化影像平面上进行纯视觉无损探伤，可以有效地减少测量误差和时间，并提高检测的准确性和可靠性。
此外，光学测量技术还可以应用于微型元器件的检测和分析，在微米尺度下实现精密的测量分析。
3. 视觉检测光学测量技术可以通过高分辨率传感器和计算机视觉技术实现产品的在线视觉检测。
在智能制造的应用中，光学测量技术是不可或缺的一部分。
光学传感器可以在高速生产线上实现产品的快速检测和分类，以确保产品符合质量要求。
4. 仿真分析在精密制造中，仿真模拟和分析是非常重要的一步，可以通过光学测量技术来进行。
通过从纯视觉的角度来对产品进行分析，可以确定产品的瑕疵和不规则地方，提高产品的质量，并减少产品瑕疵率。
四、光学测量技术面临的挑战和机遇随着科技的不断发展，光学测量技术面临着很多挑战和机遇。
其中，光学测量技术的数据分析和处理能力已经成为了当今科技发展的重中之重，因为光学测量技术配合着机器学习和人工智能，可以实现更好的精度和更高的速度。
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由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出 现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹” 。
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光栅尺基本原理
莫尔条纹的特点
➢ 放大作用
莫尔条纹纹距B 与光栅节距w和倾角θ之间的关系：
B
=
w
/
q
2sin
由于θ很小，因此
2
B
w
q
光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下 移动一个节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可 以测量光栅的位移。
1、编码器分类
➢ 按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式
以光电式的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器
➢ 按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式
➢按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r
普通分辨率 2000-3000p/r
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旋转编码器
❖ 增量式光电脉冲编码器 ❖ （1）组成：由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管)、
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的3D传感器
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激光光幕尺寸测量仪器
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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31
例：当 w = 0.01mm， θ= 0.01 red， 则 B = 1mm，将栅距放编大辑p1p0t 0倍的莫尔条纹宽度。 8
光栅尺基本原理
2B
B
光栅尺横向莫尔条纹及其参数
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q
B = w / 2sin 2
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光栅尺基本原理
➢ 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之 间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一 均化误差的作用愈显著。
刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、 50、100、125线/mm )
a. 封闭式
平面光栅 --- XY位移
圆光栅 ---编角辑位pp移t
b. 开放式 直线光栅 --- 直线位移；4
光栅尺基本原理
透射编光辑栅ppt
5
光栅尺基本原理
反射编光辑p栅ptLeabharlann 011,1
0,0 0,1 1,0
6
光栅尺基本原理
14
旋转编码器
绝对式光电脉冲编码器
（1）结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是 在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为 绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码( 图案)来表示轴的位置。
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旋转编码器
❖ 码盘的种类
❖ 按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进 制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。
A
A 受’光素子
投光 素子
A
A 编辑ppt
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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21
基于三角测量法的位移传感器
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基于三角测量法的位移传感器
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23
基于三角测量法的位移传感器
DGUT
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DGUT
精密制造基础
光学测量技术
卢盛林 东莞理工学院
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1
内容介绍
1
光栅尺
2
旋转编码器
3
基于三角测量法的位移传感器
4
激光光幕尺寸测量传感器
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2
光学测量的优点
1
非接触
2
实现高传动比，无间隙，无摩擦
3
大行程和高精度
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3
光栅尺基本原理
构成： 主光栅 --- 标尺光栅，定光栅； 指示光栅 --- 动光栅 光电转换电路等
整形放大电路和数字显示装置等组成。
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12
旋转编码器
工作原理
光电盘按装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件 把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换 为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，通过计算脉冲的 数目，即可测出工作轴的转角，并通过数显装置进行显示。通过测定计数 脉冲的频率，即可测出工作轴的转速。
➢ 根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系
莫尔条纹 θ角的旋 逆时针方向 移动方向 转方向 选择(＋θ)
光栅移
动方向
左
下
顺时针方向 选择(－θ)
上
右
上
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下
10
旋转编码器
一种旋转式的检测角位移的传感器。
将角位移用数字(脉冲)形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的
位置检测，也常用它作为速度检测元件。
纯二进制码有一个
缺点：相邻两个二进制
数可能有多位二进制码
不同，当数码切换时有
多个数位要进行切换，
增大了误读的机率。
而格雷码则不同，相
邻两个二进制数码只有
一个数位不同，因此两
数切换时只在一位进行，
提高了读数的可靠性。 编辑ppt
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基于三角测量法的位移传感器
三角形测量
●受光单元使用PSD、CCD或者C-MOS。到工件的距离有变化 的话，受光单元上的成像位置也会变化。将此位置变换成 与距离比例地信号而输出的传感器。距离设定型传感器地 高精度版。
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旋转编码器
（4）提高光电脉冲编码器分辨率的方法
➢ 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的 狭缝变成了圆光栅线纹。
➢ 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝， 而且有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道)，光电盘 回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。
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