光栅传感器种类
光纤光栅传感器
温度传感
温度传感
光纤光栅传感器能够实时监测温度变化，广 泛应用于电力、能源、环保等领域的温度监 控。通过将光纤光栅传感器安装在发热设备 或热流通道中，可以实时监测温度，实现设 备的预防性维护和安全控制。
温度传感特点
光纤光栅传感器具有测温范围广、响应速度 快、精度高、稳定性好等特点，能够实现高 精度的温度测量和实时监测。
航空航天
用于监测飞机和航天器的结构健康状况，如机翼、 机身等关键部位的温度、应变和振动等参数。
智能交通
用于监测高速公路、桥梁和隧道等基础设施的结 构健康状况，以及车辆速度、流量等交通参数。
06 光纤光栅传感器与其他传 感器的比较
电容式传感器
总结词
电容式传感器利用电场感应原理，通过测量电容器极板 间距离的变化来检测位移或形变。
分布式测量
长距离传输
光纤光栅传感器可以实现分布式测量，即 在同一条光纤上布置多个光栅，实现对多 点同时监测。
光纤光栅传感器以光纤为传输媒介，可实 现远距离信号传输，适用于长距离、大规 模监测系统。
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抗电磁干扰
光纤光栅传感器采用光信号传输，不 受电磁干扰的影响，特别适合在强电 磁场环境下工作。这使得光纤光栅传 感器在电力、航空航天、军事等领域 具有广泛的应用前景。
光纤光栅传感器的抗电磁干扰特性使 其在复杂环境中能够稳定工作，提高 了测量的可靠性和准确性。
耐腐蚀与高温
光纤光栅传感器采用石英光纤作为传输介质，具有优良的化 学稳定性和耐腐蚀性，能够在恶劣的化学环境下正常工作。 同时，石英光纤的熔点高达1700℃，使得光纤光栅传感器能 够在高温环境下进行测量。
光纤光栅传感器
光栅
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅
反射式扫描头 （与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
可移动电缆
扫描头（与移动部件固定）
光栅尺
反射式光栅
透射式光栅
透射式圆光栅
固定
莫尔条纹原理
光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多 明暗相间、等间距分布的细小条 纹（又称为刻线），这就是光栅。 图中a为栅线的宽度（不透光）， b为栅线间宽（透光）， a+b=W 称为光栅的栅距（也称光栅常 数）。通常a=b=W/2，也可刻成 a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光 栅每毫米刻成25、50、 100、 125、250条线条。
S ＝ iM
δ: 脉冲当量(mm/脉冲) S：滚珠丝杠的导程(mm); i:减速齿 轮的减速比；M: 脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。
转轴
LED
光栏板及辨向用的A、B狭缝
A A C
B
光敏元件
B C
盘码及 狭缝 零位标志
绝对式接触式编码器
它用读取轴上码盘的图案来表示轴的位置。有接触式、磁 电式和光电式等类型。其工作原理相同，只是敏感元件不 同。其中又以光电码盘应用较多。
莫尔条纹光学放大作用举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示 光栅的夹角 =1.8，则： 栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫 尔条纹光强的变化。
编码盘是把被测转角直接转换成 相应代码的检测元件。按工作原理分 光电式、接触式和电磁式等三种；按 编码方式分为增量式和绝对式两种
光栅传感器
BH =
W 2 sin
θ
2
≈
W
θ
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放 越小， 越大 越大， 大了1/ 大了 θ 倍 。 例如 θ=0.1° ， 则 1/θ≈573， ° ， 是栅距W的 即莫尔条纹宽度 BH 是栅距 的 573倍 ， 倍
这相当于把栅距放大了573倍 ， 说明光栅 这相当于把栅距放大了 倍 具有位移放大作用， 具有位移放大作用， 从而提高了测量的灵 敏度。 敏度。
1、光栅传感器 2、光纤传感器
光栅的结构及工作原理 一、 光栅的结构及工作原理 1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间 、 等间距分布的细小条纹（ 又称为刻线） 等间距分布的细小条纹 （ 又称为刻线 ） ， 这 就是光栅。图为透射光栅的示意图。图中a为 就是光栅 。 图为透射光栅的示意图。图中 为 栅线的宽度（ 不透光） 为栅线间宽（ 栅线的宽度 （ 不透光 ） ， b为栅线间宽 （ 透 为栅线间宽 称为光栅的栅距（ 光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常 称为光栅的栅距 数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。 通常 ，也可刻成 ∶ ∶ 。 目前常用的光栅每毫米刻成10、 、 、 目前常用的光栅每毫米刻成 、25、50、 100、 、 250条线条。 条线条。 条线条 透射光栅示意图
光纤结构及其传光原理 一、 光纤结构及其传光原理 1. 光纤结构 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维， 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维， 结构 如图所示。中心的圆柱体叫纤芯， 如图所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包 层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射 纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。 略大于包层的折射率n 率 n1 略大于包层的折射率 2 ， 光纤的导光能力取决于纤芯和包 层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料， 层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以 增加机械强度。 增加机械强度。
光栅传感器
光栅的结构
光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金 属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与 不透光相间排列的光电器件。
栅线——光栅上的刻线，宽度a 缝隙宽度b 栅距w=a+b（也称光栅常数）
分类
按原理和用途：物理光栅和计量光栅
▪ 物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要 用于光谱分析和光波长等量的测量。
对于“与门 y1”： 当u1w高电平时，u2 总是处于低电平，所以 y1 输出为零（0）
对于“与门 y2 ”： 当u1w高电平时, u2 总是处于高电平，所以 y2 输出为高（1）
此时触发器： 置“1”，→（控制）“可逆计数器”作 加法计数
4.5.6 细分技术
目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。
辨 向 电 路 各 点 波 形 图
u1是元件1输出的波形，超前 uu2290° u2是元件2输出的波形；
u 2 是 u 2 波经整形放大后的脉冲方波；
u1 是 u1波形经整形放大后的脉冲方波
，仍超前u2 90°；
u1 是 u1 反相后得到的脉冲方波；
u1w是 u1 经微分电路后得到的脉冲波；
u1w是 u1经微分电路后得到的脉冲波
BW k B 1
W
结论： θ越小, k越大，B越大。
例如：θ=0.1°， W=0.02mm时 θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad 则：B=11.4592mm。
2. 可以进行细分，提高精度
莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提
➢ 在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运 动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运 动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
传感器 第7章 光栅传感器
第7章光栅传感器•利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量测量；•利用光栅的相对移动，使透射光的光强度呈周期性变化，再由光电元件变为周期性变化的电信号，可获得光栅的相对移动量。
•光栅传感器精度高（测量直线精度最高可达到0.5μm——3μm/3000mm；测量角度精度最高可达0.15”）、分辨率高(可达0.05μm和0.1”)、动态范围大，广泛应用于静态测量、主动测量及自动化等领域。
7.1 光栅基础7.1.1 光栅分类及结构1．光栅分类•光栅按其原理和用途可分为:物理光栅和计量光栅；①物理光栅物理光栅刻线细密，利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量；②计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。
•按其透射形式，光栅可分为:①透射式光栅刻划基面采用玻璃材料；②反射式光栅刻划基面采用金属材料。
•按栅线形式，光栅可分为:①黑白光栅（幅值光栅）利用照相复制加工而成，栅线与缝隙为黑白相间结构；②相位光栅(闪耀光栅)横断面呈三角状或锯齿状。
图闪耀光栅线槽断面•按其应用类型可分为:①长光栅又称为光栅尺用于测量长度或线位移；②圆光栅又称盘栅用于测量角度或角位移。
•长光栅有透射式和反射式，均有黑白光栅和闪耀光栅；•圆光栅一般只有透射式黑白光栅。
•还有激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅，本章介绍透射式的计量光栅。
2．光栅结构•光栅在刻划基面（玻璃尺或金属尺或玻璃圆盘）上等间距(或不等间距)地密集刻划线（叫栅线），使刻栅线处不透光（或不反光），没刻栅线处透光（或反光），形成黑白相间(透光与不透光)、排列间隔细小条纹构成的光电器件；•栅线光栅上的刻线叫栅线，其宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，也可以做成a：b=1.1:0.9,而w=a + b称为栅距；•栅距又叫光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100线/mm、250线/mm；•栅距角圆光栅上相邻两条栅线的夹角叫栅距角y或称节距角。
第10章光栅传感器
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。
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
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。
三、莫尔条纹细分技术
（一）细分方法： 1、增加光栅刻度密度。 2、对电信号进行电子细分。把一个周期变
化的莫尔条纹信号再细分，即增大一周期 的脉冲数，称为倍频法。在电子细分中又 可分为直接细分、电桥细分、示波管细分 和锁相细分等。 3、机械和光学细分。
（二）直接细分
直接细分法的优点是对莫尔 条纹信号波形无严格要求， 电路简单，可用于静态、动 态测量系统。缺点是光电元 件安放困难，因而细分不能 过高。
光栅传感器种类
光栅传感器种类光栅传感器是一种基于光学原理的传感器，用于测量物体的位置、运动、速度、加速度等参数。
根据不同的测量需求，光栅传感器可以分为多种类型，下面将介绍其中几种。
1. 接触式光栅传感器接触式光栅传感器是一种直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于需要直接接触物体，因此接触式光栅传感器通常使用在需要高精度测量的应用中，如机床加工、自动化生产线等领域。
2. 非接触式光栅传感器非接触式光栅传感器是一种不需要直接接触物体进行测量的传感器。
它通常由一个光源和一个接收器组成，光源发出光线，经过物体反射或透过物体后被接收器接收并转换成电信号进行测量。
由于不需要直接接触物体，因此非接触式光栅传感器通常使用在需要远距离、高速度测量的应用中，如机器人运动控制、航空航天等领域。
3. 绝对编码器绝对编码器是一种可以直接读取物体位置的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置信息。
由于可以直接读取物体位置，因此绝对编码器通常使用在需要高精度位置控制的应用中，如半导体设备、医疗设备等领域。
4. 增量编码器增量编码器是一种可以直接读取物体运动信息的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个光栅条来进行测量，光栅条上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的运动信息。
由于可以直接读取物体运动信息，因此增量编码器通常使用在需要高速度控制的应用中，如电机控制、机器人运动控制等领域。
5. 二维光栅传感器二维光栅传感器是一种可以同时测量物体位置和形状的光栅传感器。
它通过在物体表面上布置一个二维光栅来进行测量，二维光栅上的光学刻痕可以被传感器读取并转换成物体的位置和形状信息。
由于可以同时测量物体位置和形状，因此二维光栅传感器通常使用在需要高精度形状控制的应用中，如汽车制造、航空制造等领域。
光栅传感器及其应用
四、光栅传感器及其应用
2、光栅传感器的工作原理 莫尔特性
(3)对应关系。两光栅沿与栅线
垂直的方向相对移动时，莫尔条 指示光栅
纹沿栅线方向(确切地说，沿栅 线夹角θ的平分线方向)移动。两 光栅相对移动一栅距W，莫尔条 纹移动一个条纹间距B。
d f d
主光栅 f
a
b
W
θ
d
f d f
（a）
四、光栅传感器及其应用
四、光栅传感器及其应用
光栅传感器主要用于长度和角度的精密测量以 及数控系统的位置检测等。具有测量精度高、抗干 扰能力强、适用于动态测量和自动测量以及数字显 示等特点，在座标测量仪和数控机床的伺服系统中 有着广泛的应用。
四、光栅传感器及其应用
1、光栅的基本结构
（1）光栅 光栅是在透明的玻璃上
刻有大量相互平行、等宽而 又等间距的刻线。这些刻线 是透明的和不透明的，或是 对光反射的和不反射的。
光 源
透 镜
主
指
光栅
示
光
光电接收 元件
源
图2 光栅尺结构原理
四、光栅传感器及其应用
3、光栅传感器的结构
光栅传感器由光源、光栅尺、光电元件及光 学系统组成
Vcc
U
输出
bc
（a）
光源
聚光镜
主图光栅3—4 指透示射光栅光栅光路物、镜光电光转电换元件电路示意图
a
四、光栅传感器及其应用
4、光栅传感器的应用(1)
四、光栅传感器及其应用
1、光栅的基本结构 (3)类型
(a) 长光栅
(b) 圆光栅
A、按其原理和用途可分为物理光 栅和计量光栅。
B、按其透射形式，光栅可分为 透射式光栅和反射式光栅。
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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。
它可以实现对目标物体位置、速度、方向等信息的监测和控制，并且具有响应速度快、适应性强等优点。
模拟式光栅传感器广泛应用
于自动化生产线、机床加工等领域。
2. 数字式光栅传感器
数字式光栅传感器是一种将物体运动状态转化为数字电信号输出的传
感器。
它可以实现对目标物体位置、速度、方向等信息的高精度监测
和控制，并且具有高速传输、抗干扰能力强等优点。
数字式光栅传感
器广泛应用于机床加工、自动化生产线等领域。
结语：
本文介绍了几种常见的光栅传感器种类，包括依据工作原理、应用场景和输出信号等多个方面进行分类。
不同种类的光栅传感器具有不同的特点和优缺点，用户在选择时应根据具体需求进行综合考虑。