光栅传感器的工作原理
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。
光栅式传感器的工作原理
光栅式传感器的工作原理光栅式传感器，这个名字听起来有点高深，其实它的工作原理就像一位细心的侦探，默默地观察周围的一切。
想象一下，一个超小的光栅，像是一道门，只有光线能穿过。
光栅里面的每个小缝隙，都是在为我们提供重要的信息。
没错，光栅就是通过光的干涉和衍射来测量各种参数，真是个神奇的小家伙。
光栅的工作就像调皮的孩子捉迷藏，光线一进来，就会被这些小缝隙给玩弄得团团转。
每当光线经过光栅，哇，光线会分散成各种颜色，像彩虹一样绚丽。
这一过程叫做衍射，光栅就好比是孩子们的游戏场，越多的缝隙，光线被分散得越厉害。
这可不是简单的光的折射，而是光在每个小缝隙中争先恐后，形成一幅美丽的图画。
光栅的神奇之处就在于，它不仅仅是看，而是通过观察来解读世界。
我们来聊聊光栅是怎么测量的吧。
比如说，在一些工业领域，光栅常常用来测量位置和位移。
想象一下，一个制造工厂，机器在不停地运转，工人们忙得不可开交。
光栅就像一个耐心的看护者，实时监控着每个零件的位置。
当零件移动时，光线经过光栅时会形成不同的干涉条纹，传感器就像个侦探，把这些条纹记录下来，帮助我们了解物体的具体位置。
这种高精度的测量，就像是拿着放大镜仔细观察每一个细节，绝不放过任何一个线索。
光栅传感器的应用可广泛了，绝不仅限于工业哦。
在医疗领域，它也大显身手。
想象一下，一个医生正在给病人做检查，光栅传感器可以帮助他们测量病人的某些生理参数。
比如说，光栅可以用于光谱分析，帮助医生更好地了解患者的身体状况。
这时候，光栅就像一个无声的助手，默默地为医生提供信息，让他们做出更准确的判断。
真是个聪明的家伙！光栅的使用还有很多有趣的地方。
比如说，在我们的生活中，光栅传感器也常常出现在一些智能设备里。
手机、相机等电子产品中，光栅传感器随处可见。
它们帮助设备捕捉到细腻的光线变化，从而使我们的照片更加清晰。
就像在阳光下，树叶间洒下斑驳的光影，光栅为我们记录下了这一切。
不过，光栅传感器虽然好用，但也有它的小脾气。
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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光栅传感器的工作原理光栅数字传感器，通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成，如图12.1.2所示。
计量光栅由标尺光栅1（主光栅）和指示光栅2组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。
一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。
测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。
1.莫尔条纹将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图12.1.3所示。
当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条/mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。
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的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。
莫尔条纹有如下几个重要特性：（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。
主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。
因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。
（2）莫尔条纹具有位移放大作用当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。
当两个光栅刻线夹角θ较小时，由式（12.1.1）可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ θ倍。
例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573倍。
因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。
（3）莫尔条纹具有误差平均效应莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。
因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。
（4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。
当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。
2．光电转换主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件（如硅光电池等）将光信号转换成电信号。
在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。
在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。
光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。
光电器件的输出电压通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为旋转式光电编码器的设计动向作者：上海工业自动化仪表研究所张永江光电编码器是机械运动控制中测量转动物体位置（角度）与速度的传感器，它有旋转式与直线式两种，其中旋转式光电编码器由于精度高、安装方便，已获得广泛应用。
随着运动控制产品的快速发展，我国对高精度的编码器需求大，但主要依靠进口。
目前，活跃在我国编码器市场上的主要是外商，如德国的海德汉（Heidenhain）、梅尔(Meyle)、倍加福(P+F)、图尔克（Turck），美国（GPI）,日本多摩川，英国雷尼绍（Renishaw）,韩国（Metronix）、奥托尼克斯（Autonics）,瑞士堡盟（Baumer）,土耳其（OPKON）,以及我国的中达电通等。
纵观近几年来旋转式光电编码器的发展，其设计动向列举以下4方面进行阐述。
第一，设计新产品。
首先是发展基型产品，上述编码器厂商先以设计、生产增量式编码器和单圈绝对式旋转编码器居多，近年来随着应用领域的拓展，设计多圈绝对式编码器与混合式编码器增多。
如多摩川推出的混合式编码器，其包含增量式编码器和输出24位编码信号的单圈绝对式编码器，具有磁极定位功能，在用于伺服运动控制时，能快速检测伺服电机转子磁极位置角，特别对大功率伺服电机既能提高初始化的定位精度，又可使伺服电机提高输出力矩，同时对位置控制和速度计算也都极为方便。
其次是设计专用产品。
例如，中达电通（台达集团）设计了CNC专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器，新推出CNC主轴专用的CS7系列编码器，设计的结构紧凑、外型小巧，分辨率为1024p/r，采用线驱动输出，转速提升到8000r/min,从而可配合机床行业主轴的高转速，信号输出的频率响应为300KHZ,可提高数控系统的整体响应速度，以达到高精度控制的要求。
宜科（天津）电子公司设计了电梯专用编码器和重工业用的重载型增量式编码器，后者据称采用最新的欧洲电气和机械设计技术，使其可承受最大轴向负荷为80N、最大径向负荷150N,最大转速为6000r/min,轴承寿命达109转，工作温度20~90℃。
倍加福针对我国风力发电的巨大潜在市场，设计了风力发电用的编码器。
倍加福、图尔克等还设计了防爆型编码器，有了3类产品：（1）EExd隔爆型，这类编码器设计的外壳坚固，若有可然性气体进入编码器内被电火花点燃产生爆炸，其火焰被限制在机壳内，不危机外部环境安全；（2）EExi本安型，这种编码器的设计是限制电路的电流与电压，使电路产生的任何火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境；（3）EExna无火花型，这是最新的防爆技术，用这种技术设计的编码器在正常运行时不产生火花和电弧，从而保证环境安全。
第二，优化产品结构。
旋转式光电编码器由光路、电路与机械3部分组成，编码器生产厂非常注重这3部分的设计与制作。
（1）光路系统：一是光源采用放光二级管LED，设计光聚焦系统，使LED发射的光成为平行光束，垂直地照射到旋转码盘（动光栅）与固定码盘（定光栅）上，穿过这两个码盘上透光缝隙的光被光敏二极管吸收后输出模拟电信号给转换电路进行信号处理。
由于光路系统对烟雾、尘埃、水蒸气、机械振动等很敏感，所有一般都设计严密的防护措施，目前光学旋转编码器设计的防护等级最高为IP65左右，最高工作温度85℃左右。
二是码盘材质的选用，有玻璃、塑料、不锈钢，已适合不同的需求，其中玻璃编码盘精度高，热稳定性好，但耐振差;塑料与不锈钢的精度与热稳定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作经济型的。
码盘上的光栅一般用沉积很薄的刻线（如在玻璃码盘上）、机械刻划或光刻法制作。
三是光栅的设计，增量式与绝对式完全不同。
增量（正交）式编码器：在旋转码盘边缘部分径向设计有许多均匀分布的透光缝隙，他们的宽度与间距相等，其设计透光缝隙的多少与加工质量将直接影响编码器的测量精度；在固定码盘上有A、B、Z三条缝隙（转动码盘有一条缝隙与Z相对应），A、B使输出两路正交（电角度相差90°）的方波脉冲信号，经计算用于测得电机的转速、位置（角度）和转向判别；Z相信号用作参考零位，每转发出一个脉冲用于电机转子定位、累计转数。
绝对型编码器：n位绝对型编码器在旋转码盘上就设计有n条同心圆码道，码型采用格雷（GRAY）码设计，即从码盘边缘向中心的n条码道上，透光的扇形区数目按20、21、222n-1设计、制作；固定码盘上只有径向一条透光缝隙，其背后对应每一码道有一光敏二极管，输出的n位数字码（格雷码可转换成二进制码或BCD码）代表转轴某一时刻的绝对位置，特别适用于监测上电和掉电期间的转轴位置。
这种编码器，一般厂商设计码型时之所以采用格雷码，是因其两个相邻数之间只有一个数位发生变化，误差小；若用二进制码型，虽其设计简单，但制作、安装要求十分严格，否则易出现两位数误差。
(2)电路部分：包括编码器主电路与输出电路。
光敏二极管输出的信号电平较低，波形也不规则，为了进行控制、信息处理与远传，须经转换电路发大、整形。
以前转换电路设计采用分立元件，零部件多、结构复杂、价贵。
现在已有不少厂商如倍加福等将主电路集成到一片专用集成电路（ASIC）上，采用ASIC设计，不仅抗干扰、耐环境条件变化、提高检测精度与速度，而且由于零部件减少、结构紧凑简单，使绝对编码器的价格下降，据介绍，一般比老型号约降价20％多。
输出电路形式有多种，Metronix等公司设计了五种类型：集电极开路输出，电压输出，推挽式输出，线驱动输出，互补型输出。
为了降低噪音干扰，提高输出的可靠性，可用推挽式或互补型输出；当需要长距离传输时，可用线驱动输出或互补型输出。
在实际应用中，有点机器或生产线上需用几十台编码器连接成分布式控制，所以新型的编码器在电路部分还设计了设定编码器地址的开关，便于上位控制器随时、准确地向该编码器读取信息。
（3）机械部分：随着伺服电机转速的不断提高，编码器设计时一般均考虑能承受的最高转速，目前一般最高转速为6000r/min,而图尔克的编码器为12000r/min,凸显其轴与轴承散热设计的优化技术。
一般编码器采用不锈钢轴和高精度的轴承，轴有实心、中空与贯穿型，便于应对各种应用需求。
编码器壳体一般采用高强度铝材（OPKON公司采用氧极氧化铝）。
此外，在优化产品结构设计时，一般厂商还特别关注小型化、轻量化与密封性。
例如轴端与输出电缆连接处是两个密封的薄弱环节，宣科（天津）公司在轴端采用高级油封，倍加福在电缆连接处的密封设计达到防护等级IP67。
第三，不断提高分辨率。
在数控应用领域，提高编码器的分辨率一直是市场竞争的焦点。
例如，日本FANUC公司精心设计的2iA编码器分辨率高达16000000p/r，这使伺服电机运动非常平滑，为伺服系统实现纳米插补功能的纳米控制创造了条件，所谓“纳米控制”是伺服系统检测分辨率为1m时，插补分辨率可以提高至1nm,这就能大大提高数控机床的加工精度。
目前，提高分辨率的方法，一是加大码盘直径，增加光栅的条纹；二是由伺服驱动器内基于DSP的编码器接口电路对增量式编码器输出的A、B两路矩形波脉冲信号进行前沿和后沿的检测，以提高2倍或4倍分辨率；三是也可对增量式编码器输出的正弦信号进行电子内插，以较低的成本得到较高的分辨率。
现在，美国GPI公司还专门设计了HR2A增量式编码器电子学细分模块，可获得1～20倍于编码器刻线的脉冲数，再经4倍频可获得80倍的脉冲数。
第四，多样化的信号传输与接口设计。
绝对型编码器的输出可以是并行的，也可以是串行的。