光栅传感器的辨向教材

2020/4/15
导弹传感与检测技术 横向莫尔条纹
光闸莫尔条纹
纵向莫尔条纹
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导弹传感与检测技术
2) 莫尔条纹的特征 ①、位移放大作用 W 2
当光栅每移动一个
光栅栅距W时，莫
尔条纹也跟着移动
一个条纹宽度B。
B
C A
B B
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2) 莫尔条纹的特征 ①、位移放大作用
相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角θ
波形为：
U
U0
Um
cos( 2
W
x)
U0
Um
cos
,
( 2 x)
W
直流分量
交流分量
光栅相对 位移量
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➢ 当波形重复到 原来的相位和幅 值时,相当于光栅 移动了一个栅距w, 如果光栅相对位 移了N个栅距,此 时位移x=NW。 ➢因此,只要能记 录移动过的莫尔 条纹数N,就可以 知道光栅的位移 量x值。这就是利 用光闸莫尔条纹 20测20量/4/1位5 移的原理。
2020/4ห้องสมุดไป่ตู้15
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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 )
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导弹传感与检测技术 ➢ 圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.
放大
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f－f线区则是由 于光栅的遮光效 应形成的。
莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮
带，它由一系列四棱形图案组成，d－d线区所示。
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长光栅莫尔条纹
主光栅
指示光栅
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长光栅横向莫尔条纹
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横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角θ 很小，条 纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。 纵向莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0，且两光栅栅距不 等时产生的莫尔条纹。 光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0, 且两光栅栅距相 等时产生的莫尔条纹。
➢ 用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物 体的位移量。
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条纹间距
W
导弹传感与检测技术 光电元件
条纹间距
W
W
如何测量微小位移量？
光电元件
光电元件感受 的光强变化是
否明显？
1、光闸导莫弹尔传条感纹与光检测电技转术换原理
a
b
w
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(b) 圆 光 栅
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栅距角
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缝隙宽度 栅线宽度 栅距
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圆光栅分类： ➢根据栅线刻划的方向，圆光栅分三种：
径向光栅: 其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心； 切向光栅: 其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只 有零点儿或几个毫米的小圆相切; 环形光栅: 一簇等间距同心圆组成.
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莫尔条纹（Moire）
主光栅 指示光栅
均匀刻线
夹角
移动 明暗相间条纹
条纹宽度： B W W k 1
2sin( / 2)
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
②、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性
➢光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔； ➢光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。 ➢当移动的刻线数i和角度θ一定时，莫尔条纹间距B 与移动距离x成正比，即：
B W x/i x
i
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③ 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差作用。 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 几条刻线的栅 距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。 能在很大程度上消除短周期误差的影响。
莫尔条纹
莫尔条纹动画
单播击放准播中备放…演动…示画
圆弧莫尔条纹
光闸莫尔条纹
播放中播…放…动画
环形莫尔条纹
播放播中放…动…画 单击准备演示
辐射形莫尔条纹
单击播准放备动演画示
长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
结论：莫尔条纹测位移具有三个特点
(1) 莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左 右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移 动。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。
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二、 光栅传感器的工作原理
➢ 特点： 数字式传感器：能把被测的模拟量直接转换 成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感 器抗干扰能力强,稳定性强;易于微机接口,便 于信号处理和实现自动化测量。
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1、装置结构
光源
光电元件
透镜 光栅副
(2) 位移的放大作用：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B。当两
个等距光栅的栅间夹角θ较小时，主光栅移动一个栅
距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大
系数：
K
B
/W
1
条纹间距与栅距的关系为 ：
B W
当θ角较小时，例如θ=30′，则K=115，表明 莫尔条纹的放大倍数相当大。
分辨力 =W =1/50=0.02mm=20m
放大倍数≈1/θ= 1/(1.8 ×3.14/180 )≈ 31.83 莫尔条纹的宽度 L=W/θ≈0.637 mm
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二、 光栅传感器的工作原理
➢ 光栅传感器由主光栅、指示光栅、光源和光 电器件组成。
➢ 工作原理： 利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量 ：光栅的相对移动使透射光强度呈周期性变 化，光电元件把这种光强信号变为周期性变 化的电信号，由电信号的变化即可获得光栅 的相对移动量。
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理想情况： 三角形
传感器原理及应用
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莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图中可 看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从 最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最 亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期， 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变 化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦 周期函数。
的关系为：
w
W
B
2
sin
W
2
a b a
b
a
b
a
B
b
a
a
w
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莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k为放大系数， 则：
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。
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三、辨向原理及辨向电路
1、辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在一
固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹 明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生 同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的 方向，也不能正确测量出有往复移动时位移 的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电 路。
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2、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。 – 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。
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2、分类
• 按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属） – 透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料 – 反射式光栅：刻划基面采用金属材料
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B
W2
sin
W
2
θ越小，B越大，这相当于把栅距W
放 大 大 了 1/θ 倍 。 例 如 θ=0.1° ， 则
1/θ≈573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的
573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，
说明光栅具有位移放大作用， 从而提高
了测量的灵敏度。
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正向移动时 整形 u1 放大
整形 u2 放大
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光栅数字传感器
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一、光栅的结构和分类
1.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）
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➢若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
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(a) 径 向 光 栅
(b) 切 向 光 栅
(c) 环 形 光 栅
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3.莫尔条纹
1).莫尔条纹的形成 如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且 指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角θ 时, 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅 刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处 形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产 生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹 ”