5.4光栅尺位移传感器
光栅尺位移传感器
光栅尺位移传感器引言光栅尺位移传感器是一种用于测量物体位移或位置的传感器。
它通过测量光栅尺上的光信号变化，来确定物体的位移。
光栅尺位移传感器具有高精度、高分辨率的特点，广泛应用于机床、机械设备、电子设备等领域。
本文将介绍光栅尺位移传感器的原理、结构、工作原理以及应用领域，并对其主要优点和局限性进行讨论。
原理光栅尺位移传感器基于光电效应，利用光栅尺上的光栅来实现位移的测量。
光栅是由若干条黑白相间的线条构成的，当光线透过光栅时，根据光的衍射原理，会出现光的干涉现象。
这种干涉现象会导致光信号的变化，通过测量这种变化，可以确定物体的位移。
结构光栅尺位移传感器主要由光栅尺、光源、光敏元件和信号处理电路组成。
•光栅尺：光栅尺是光栅尺位移传感器的核心部件，它由若干条黑白相间的线条组成。
光栅尺的精度和分辨率决定了传感器的性能。
•光源：光源用于提供光线，通常使用激光二极管或LED作为光源。
•光敏元件：光敏元件用于接收光栅上的光信号，并将其转换为电信号。
常用的光敏元件有光电二极管、光电三极管等。
•信号处理电路：信号处理电路用于接收和处理光敏元件输出的电信号，从而得到物体的位移信息。
工作原理光栅尺位移传感器的工作过程如下：1.光源照射：光源照射在光栅尺上，形成光线。
2.光线透过光栅：光线透过光栅，经过光栅的衍射和干涉，形成一系列光斑。
3.光斑接收：光敏元件接收光栅上的光斑，将光信号转换为电信号。
4.信号处理：信号处理电路接收和处理光敏元件输出的电信号，将其转换为位移信息。
通过对光敏元件输出电信号的测量和处理，可以获得物体的位移信息。
应用领域光栅尺位移传感器在许多领域中广泛应用，包括但不限于以下几个方面：•机床：光栅尺位移传感器用于测量机床的移动轨迹，实现机床的精确控制和定位。
•机械设备：光栅尺位移传感器用于测量机械设备的运动轨迹，如工业机器人、印刷机等。
•电子设备：光栅尺位移传感器用于测量电子设备的位移，如光学阅读器、光学存储器等。
大位移传感器
图5-9 （a） 莫尔条纹的形成； （b） 莫尔条纹的宽度
2. 莫尔条纹的宽度
横向莫尔条纹的宽度B与栅距W和倾斜角θ之间的关系， 可由图5-9（b）求出（当θ角很小时）：
sin
t
U2
kΦm
cos
2π
sin t
由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，
而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高，因此可将多个
磁头以一定的方式串联起来形成多间隙磁头，如图9－88所示。
图9－87 双磁头结构
图9－88 多间隙磁头
磁栅测量系统
磁尺
磁头 压板
磁栅在磨床测长系统中的应用
光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B。通 过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。
由于光栅的遮光作用， 透过光栅的光强随莫尔条纹的移 动而变化， 变化规律接近于一直流信号和一交流信号的叠加。 固定在指示光栅一侧的光电转换元件的输出，可以用光栅位移 量x的正弦函数表示， 如图5-10所示。只要测量波形变化的周 期数N（等于莫尔条纹移动数）就可知道光栅的位移量x，其数 学表达式为
四、直线感应同步器
感应同步器的优点（续）
③使用寿命长，维护简单。定尺和滑尺，定子和转子互 不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长。它不怕 油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。但需 装设防护罩，防止铁屑进入其气隙。
④可以作长距离位移测量。可以根据测量长度的需要， 将若干根定尺拼接。拼接后总长度的精度可保持（或稍 低于）单个定尺的精度。目前几米到几十米的大型机床 工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现。 ⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
光栅位移传感器
光栅尺位移传感器
GWC系列光栅位移传感器
长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移
长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源 和光电器件等组成。
主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的 直线位移而产生移动，其长度取决于测量范 围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光 栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。
这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清 晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移 动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移 测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误 差的作用
光栅位移传感器的应用 ❖ 光栅位移传感器： ❖ 测量精度高（分辨率为0.1μm）， ❖ 动态测量范围广（0～1000mm）， ❖ 可进行无接触测量， ❖ 容易实现系统的自动化和数字化。 ❖ 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
Um
U U 0 Um sin 2x
WHale Waihona Puke o W/2 W 3W/2 2W
x
光栅位移传感器的结构原理图
莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器 件称为光栅，如图7-7所示。
用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透 明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕， 每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透 光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、 50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。
简述光栅位移传感器的工作原理及其工作特点
简述光栅位移传感器的工作原理及其工作特点嘿，大家好呀！今天咱来唠唠这个光栅位移传感器，这可是个有点厉害的小家伙呢！那它的工作原理是咋回事呢？其实就像是一个超级细心的记录员。
想象一下，有一条带着很多小刻度的尺子，这尺子就是光栅啦，然后光线在这尺子上不断跳动，通过对光线的检测和计算，就能知道物体移动了多少距离。
是不是挺神奇的？就好比你走路，它能精确地算出你走了几步，走了多远。
要说它的工作特点呀，那可真是不少呢！首先呢，它超级精确，简直就是测量界的“福尔摩斯”，一点点细微的位移都逃不过它的“法眼”。
不管是头发丝那么细的移动，还是大物件的大幅移动，它都能准确捕捉到。
这精度，就像你妈能在一群熊孩子里一眼就认出你来一样厉害。
而且呀，它还很稳定可靠。
就像咱家里那个老闹钟，天天准时响，从来不出岔子。
不管是在恶劣的环境下，还是被折腾来折腾去，它都能稳稳地工作，持续输出准确的数据，绝不会关键时刻掉链子。
它响应速度还特别快，就像闪电侠一样。
物体刚一动，它就能立马感知到并给出结果，绝不拖泥带水。
另外呢，它还很“皮实”，不容易坏。
不像有些“娇气包”，碰一下就发脾气不工作了。
嘿，你可别小瞧了这个小传感器，它在很多领域可是大英雄呢！比如在工业生产中，能精确控制机器的运动，让生产更高效；在科研领域，帮助科学家们获得精准的数据，推动科技进步。
它就像是一个默默奉献的小卫士，虽然不起眼，但却发挥着大作用。
总之，光栅位移传感器就是个厉害又靠谱的小家伙，有了它，很多事情都变得轻松又准确啦！怎么样，是不是对它有点刮目相看了呢？咱也得感谢科技的力量呀，让我们的生活变得更智能、更便捷。
好啦，今天就和大家分享到这儿，下次再见咯！。
光栅位移传感器原理
光栅位移传感器原理光栅位移传感器是一种常用的测量和控制设备，它能够精确地测量物体的位移，并将其转化为电信号输出。
光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
在工业自动化、机械加工、航空航天等领域都有广泛的应用。
光栅位移传感器主要由光栅、光源、光电传感器和信号处理电路等组成。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，光电传感器接收到光栅上的光斑信号，并将其转化为电信号输出。
信号处理电路对电信号进行放大、滤波和数字化处理，最终得到位移的测量结果。
光栅位移传感器的原理基于光栅的周期性结构。
光栅是一种具有周期性光透过结构的光学元件，其上有一系列平行的透光和不透光的条纹。
当光线照射到光栅上时，透光和不透光的条纹会产生光学干涉现象，形成一系列光斑。
当被测物体移动时，光栅上的光斑也会随之移动，通过测量光斑的移动距离和数量，就可以计算出被测物体的位移。
光栅位移传感器具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，能够实现对微小位移的测量。
在工业自动化领域，光栅位移传感器常用于机床、数控机械、机器人等设备的位移测量和控制。
在航空航天领域，光栅位移传感器也被广泛应用于飞行器的姿态控制和导航系统中。
除了在工业和航空航天领域的应用外，光栅位移传感器还被广泛应用于科学研究和医疗设备中。
在科学研究领域，光栅位移传感器常用于粒子加速器、核物理实验等领域的位移测量和控制。
在医疗设备中，光栅位移传感器常用于医学影像设备的位移测量和图像重建。
总之，光栅位移传感器的原理是基于光学原理和电子技术，通过光栅的光学信号和电子信号的相互转换来实现对位移的测量。
它具有高精度、高分辨率和快速响应的特点，被广泛应用于工业自动化、航空航天、科学研究和医疗设备等领域。
随着科学技术的不断发展，光栅位移传感器将会有更广阔的应用前景。
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。
光栅位移传感器.ppt
? 请问莫尔莫尔条纹测位移具有哪三个特点？
W2
W2 W
BH ?
?
sin
?
?
2
B
C A
BH BH
θ越小，BH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 BH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。
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
m
U
U ? U 0 ? U m sin 2 ? x
W
o
x
W/2
W
3W/2 2W
光栅位移传感器的结构原理图
莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器 件称为光栅，如图7-7所示。
这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清 晰可见的莫尔条纹移动 ，可以用测量条纹的移 动来检测光栅的位移。从而 实现高灵敏的位移 测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误 差的作用
光栅位移传感器的应用 ? 光栅位移传感器： ? 测量精度高（分辨率为 0.1μm）， ? 动态测量范围广（0～1000mm）， ? 可进行无接触测量， ? 容易实现系统的自动化和数字化。 ? 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
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
莫尔条纹
条纹宽度： B ?
W
W ?
2 sin( ? / 2 ) ?
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5.4光栅尺位移传感器
直线透射式光栅 • 1. 组成 • 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度 相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长 度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装 在机床的移动部件上。
5.4光栅尺位移传感器
直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。
透射式光栅检测装置
反射式光栅检测装置
光栅尺外形如图1所示，它由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组 成，如图2所示。其中光源供给光能；聚光镜将光源发出的光转换成平行光；主光 栅与指示光栅构成光栅副，光栅副是光栅尺传感器的核心，它决定了光栅尺的精度
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
5.4光栅尺位移传感器 莫尔条纹具有如下特点：
• 由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ ，由于θ 很小（小于 10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01 ㎜，θ =0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂 的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度， 从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。 起均化误差作用。莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10 ㎜，当W=0.01㎜时， 10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此， 制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以， 莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平 均效应。 莫尔条纹的变化规律。长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动 一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化 一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多 少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。
光栅位置检测装置的组成 1—光源 2—透镜 3—标尺光栅4—指示光栅 5—光电元件
5.4光栅尺位移传感器
2. 工作原理 在测量时，长短两光栅尺 面相互平行地重叠在一起， 并保持0.01至0.1mm的间隙， 指示光栅相对标尺光栅在自 身平面内旋转一个微小的角 度θ 。当光线平行照射光栅 时，由于光的透射和衍射效 应，在与两光栅线纹夹角θ 的平分线相垂直的方向上， 会出现明暗交替、间隔相等 的粗条纹——莫尔条纹，如 图所示。
5.4光栅尺位移传感器
• 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅 距为W，则
• 因为θ 很小，则
B
W 2 sin
2
• 由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。 B
W
5.4光栅尺位移传感器
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
速度测量 位置测量
5.4光栅尺位移传感器
机床上光栅尺
对于机床控制而言，光栅尺常常应用于以下场合： 1、高精密机床：提高加工精度，提升产品的品质； 2、大型机床，如：大型龙门、卧加、镗铣床等； 使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减 小温度变化带来的形变误差； 3、采用直驱技术的新型电机：直线电机等。
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
5.4光栅尺位移传感器
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
第五章 机械位移传感器
5.4 光栅尺位移传感器
5.4光栅尺位移传感器
2学时
目录 一、教学内容 1、光栅尺组成 2、光栅尺工作原理 3、光栅的辨向与信号处理 4、光栅的特点 5、光栅尺的安装 6、光栅尺的安装注意事项（自学） 7、光栅尺的维护（自学） 二、归纳总结 三、作业
5.4光栅尺位移传感器
教学目标 教 学 目 标
((1) 光栅尺的工作原理与特性； (2) 直线式光栅尺与莫尔条纹
教 学 重 点 难 点
重 点
难点
光栅尺的工作原理；
光栅尺的安装与调试
5.4光栅尺位移传感器
机床上光栅尺
直线光栅尺用于测量直线轴的移动位置。由于直接测量机械位置，
因此能够最准确的反应机床的实际位置。
对于机床控制而言光栅尺能够：
• • • 消除滚珠丝杠的反向间隙； 消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差；（大型） 消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差；
对于机床上使用的光栅尺，我们通常关注以下技术规格：
1、光栅尺的结构：钢带、玻璃； 2、光栅尺的信号类型：串行信号、方波信号、正弦波信号(1-Vpp)； 3、光栅尺的分辨率； 4、光栅尺的信号周期、倍频；
5.4光栅尺位移传感器
光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角 度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式 光栅和金属反射式光栅。 玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹 密度为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜。 条数越多，光栅的分辨率越高。 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透 光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。
5.4光栅尺位移传感器
直线透射式光栅
1、组成：由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。 长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作 台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。