传感器 第7章 光栅传感器.docx

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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0.5

m——3

m/3000mm；测量角度精度最高可达0.15”）、分辨率高（可达0.05

m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。

图7.1光栅结构

圆光栅有三种栅线形式：

①径向光栅其栅线的延长线通过圆心（图a）；

②切向光栅其栅线的延长线与光栅盘的一个小同心圆相切；

③环形光栅其栅线为一簇等间距同心圆组成。

圆光栅通常在圆盘上刻有1080～64800条线。

图7.2圆光栅栅线

7．1．2莫尔条纹原理

莫尔条纹成因由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。

①主光栅（标尺光栅）用于满足测量范围，可以移动，也可以固定；

②指示光栅（通常是从主尺上截一段）用于拾取信号，可以移动，也可以固定。

③将主光栅与指示光栅的刻划面相向放置（片间缝隙很小）并且使两者栅线有很小的夹角

，组成光栅副，在与栅线垂直方向出现明暗相间的条纹：

a--a线上两只光栅栅线彼此重合，光线从缝隙中透过形成亮带（一系列棱形图案构成）；

b—b线上两只光栅栅线相互交叠（错开），遮挡缝隙，光线不能透过形成暗带。

这种亮带、暗带相间的条纹称为莫尔条纹。

由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹。

光闸莫尔条纹当主尺与指示光栅间刻线夹角

等于零时，莫尔条纹的宽度呈无限大，当两者相对移动时入射光的作用就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。

两光栅相对移动一个栅距，光闸莫尔条纹明暗变化一次。

7.1.3莫尔条纹特点

1．位移放大作用

图7.3莫尔条纹原理

相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角

的关系为

令k为放大系数，则

一般

很小，所以放大系数k很大。

若两光栅的光栅常数相等，莫尔条纹具有放大作用。

例如W=0.02mm，

=0.1度，则B=11.4592mm，其k值约为573，其它方法不易得到如此大的放大倍数。

所以尽管栅距很小，难以观察，但莫尔条纹却清晰可见，这有利于安装接收莫尔条纹的光电元件。

莫尔条纹的宽度B由给定的光栅常数W和光栅夹角

决定。

对于给定的两光栅，夹角愈小，条纹宽度愈大，即条纹越稀。

通过调整夹角

可使条纹达到所需要求。

在安装调节时，通过调整

角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使电接收元件能正确接收光信号。

对于100线/mm的光栅，栅距为O.01mm，当夹角O.06

时，莫尔条纹间距B可达10mm，放大了1000倍。

2．运动对应的关系

莫尔条纹运动与光栅运动之间具有对应性：

莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系，图7.3所示。

主光栅向右运动一个栅距W时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；

主光栅向左运动一个栅距W时，莫尔条纹向上移动一个条纹间距B；

由此可判断主光栅或指示光栅的位移量和位移方向。

若光栅栅距为w，i为刻线数，x为移动距离，则

（7.3）

将式（7.3）代入式（7.1）中，有

（7.4）

当i和

一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正比。

当

很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。

当光栅移动一个栅距w时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；

当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互对应的关系。

因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。

3．误差减小作用

光电元件获取的莫尔条纹是光栅的大量栅线（数百条）共同形成的，对栅线的刻划误差平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。

个别栅线的栅距误差或断线以及瑕疵对莫尔条纹的影响微小，这是光栅传感器精度高的一个重要原因。

刻划误差是随机误差。

设单个栅距误差为

，形成莫尔条纹区域内有N条刻线，则方差为

（7.5）

7.2光栅传感器的工作原理

利用光栅的莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而实现精密测量。

7.2.1光电转换原理

█光栅传感器的光电转换系统

由光源1、聚光镜（透镜）2、光栅主尺3、指示光栅4（光栅主尺或主光栅和指示光栅合起来组成光栅副）和光敏元件5组成。

光栅副是光栅传感器的主要组成部分。

二者刻线面相对，中间留有很小的间隙相叠合，变组成了光栅副。

指示光栅比主光栅短得多，通常刻有与主光栅一样密度的栅线，一般为每毫米10、25、50、100线。

光电转换原理

当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化：

在a处，两光栅刻线不重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号最大；

在c处，由于光被遮去一半，光强减小；

在b处，光全被遮去而成全黑，光强为零。

若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，形成图7.4（b）的输出波形。

下图中的光电接收元件，5为4极硅光电池。

图7.4透射直读式光电转换系统

在理想情况下，当a=b=w时，光强亮度变化曲线呈三角形分布，如图7.4（c）虚线所示。

但实际上因为刻划误差的存在造成亮度不均，使三角波形呈近似正弦波曲线。

7.2.2莫尔条纹测量位移原理

当光电元件接收到明暗相间的正弦信号时，将光信号转换为电信号；

当主光栅移动一个栅距w时，电信号则变化了一个周期；

光电信号的输出电压

可以用光栅位移x的正弦函数来表示，光敏元件输出的波形为

式中：

——输出信号的直流分量；

——交流信号的幅值；

x——光栅的相对位移量。

当检测到的光电信号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，只要记录移动过的莫尔条纹数N，就知道光栅的位移量x值。

这就是利用光闸莫尔条纹测量位移的原理。

7.2.3辨向原理

位移测量传感器必须能辨向，否则只能作为增量式位移传感器使用；

为辨别主光栅的移动方向，需在莫尔条纹信号取两个具有相位差90

的信号来辨别移动方向；

实现——在相隔B/4条纹间隔的两个狭缝AB和CD位置安装两只光敏元件，两个狭缝在结构上相差

/2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差

/2。

当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样，相位相差

/2。

滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。

这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向。

图7.5辨向原理

•设AB为主信号，CD为门控信号。

差动放大器是为了消除光电信号的直流分量，施密特电路起整形作用；两路微分电路和门电路画在了一起。

当主光栅作正向运动时，CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过，门电路在可逆计数器中作加法运算；

当主光栅作反方向移动时，则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过；

门电路在可逆计数器中作减法运算,完成了辨向过程。

图7.6辨向原理电路框图

7.3莫尔条纹细分技术

目前工艺水平，若进行高精度几何量测量（如纳米测量）无法实现。

需要对栅距进一步细分，才可能获得更高的测量精度。

7.3.1细分方法

目前使用的细分方法有：

（1）增加光栅刻线密度；

（2）倍频法对电信号进行电子插值，把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增大一个周期的脉冲数。

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。

7.3.2光电元件直接细分

在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件,如图7.4（c），得到相位分别相差

/2的四个正弦周期信号,如下图。

图7.7四路电信号波形

用下图（a）逻辑电路处理这一列信号：

AB和CD两光电元件输出的

和

经方波发生器后变成方波，并相差

/2。

在1、3点的方波经倒相器倒相一次，便得到2、4点两个方波倒相电压。

经微分后获得5、6、7、8四点的正脉冲，同时送到与非门得到9点的12个输出脉冲为原来任意一路的四倍，实现了四倍频细分，如图（b）。

图7.8四倍频细分（a）四倍逻辑；（b）波形图

四倍频细分法

用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以得到1/4个莫尔条纹宽度的位移量（即光栅固有分辨率的四倍）。

7.3.4光栅传感器的误差

单件光栅的误差是由刻划工艺和设备决定的。

计量光栅大多数是在构成莫尔条纹的情况下使用。

由于莫尔条纹的平均误差作用，使局部刻划误差的影响大大减小。

设光电接收元件所覆盖的光栅刻线总数为N，单个栅距误差为

，则可利用式（7.3）

粗略地描述平均误差与单个栅距误差之间的关系。

因为常用栅距叫为O.05～O.01mm，若取光电池尺寸为10mm，则

平均误差△为

因此，其平均误差△很小。

实际上莫尔条纹变化一周，只移动一个栅距，也就是在200～1000条栅线中只改变了一条栅线，因此单个栅距误差的影响比式（7.3）

的还小。

长光栅栅距误差一般水平为微米（

m）数量级，圆光栅为秒（”）数量级。

7.4常用光学系统

在光栅传感器中，由于光栅的种类和制作材料不同，故用来照明和接收莫尔条纹信号的光学系统有多种形式。

7．4．1透射直读式光路

将图7.4中光电元件采用四极硅光电池作为光电转换元件，就构成四细分直读式分光系统。

把形成的横向莫尔条纹宽度B调整到等于四极硅光电池的宽度S（见图7.4（c）），这样莫尔条纹变化一个条纹宽度B，四极硅光电池依次就输出四路相位依次相差

/2的电信号（如图7.7所示波形），四路电信号相当于对莫尔条纹信号进行四细分。

这种光路的结构简单，位置紧凑，调整使用方便，广泛应用于粗栅距的黑白透射光栅传感器中。

7．4．2反射直读式光路

反射直读式光路如图7.10所示。

光源经聚光镜成平行光束并以一定角度通过场镜3射向指示光栅，莫尔条纹是金属制成的标尺光栅5反射回来的光线与指示光栅4相互作用形成的，由光电元件6接收莫尔条纹并将其转换成电信号。

这种光路常用于黑白反射光栅传感器中。

图7.10反射直读式光路

7．4．3反射积分式光路

反射积分式光路如图7.11所示。

只用一只闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅。

光源发出的光经准直透镜变成平行光束垂直入射到分光镜上，经过半透分光面时被分成CD、CE两束光并垂直射到具有等腰三角形栅线的闪耀光栅上A、B两点的线槽面时，最大强度的衍射光将沿原路反射回分光镜,在分光面处相遇产生干涉现象，其干涉条纹经透镜由光电元件接收并转换成电信号。

这种光学系统具有光学四细分的作用，分辨力较高。

例如，栅线密度为600线/mm时，干涉条纹变化一个周期就相当于光栅移动量为

w=1/4×1/600=0.42

m。

这种光路只用于细栅距的反射式闪耀光栅传感器中。

图7.11反射积分式光路

光栅传感器的光源有单色光和普通白光两种。

对于栅距较大的黑自光栅常用普通白炽灯照明，对于栅距较小的闪耀光栅需用单色光源。

光源的波长应与光电接收元件的峰值波长匹配，是为了提高光电转换灵敏度。

光栅传感器常用的光电元件有硅光电池、光电二极管和光电三极管等，但用得最多的还是硅光电池。

思考题与习题

1.透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的?

条纹间距、栅距和夹角的关系是什么?

一个200线/mm的透射式光栅的莫尔条纹放大倍数是多少?

2．怎样理解光栅的误差平均特性?

3.如何判别誉栅传感器的运动方向?

4．如何实现提高光电式编码器的分辨率?

5．查阅资料，对计量光栅的软、硬件细分各提出一种方案。