光柵傳感器工作原理

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1、一、光柵傳感器的基本原理 光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種計量光柵，多用于位移測量及與位移相關(guān)的物理量，如速度、加速度、振動、質(zhì)量、表面輪廓等方面的測量。光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1 光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu) 光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成如圖1所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，形成亮暗交替變化的莫爾條紋。利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，并用數(shù)字顯示，便可測量出標(biāo)尺光柵的移動距離。 光柵傳感器光源：鎢絲燈泡的輸出功率較大，工作范圍較寬為-40℃到+130℃，但是它與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械

2、振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。因此必須定期更換照明燈泡以防止由于燈泡失效而造成的失誤。半導(dǎo)體發(fā)光器件轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)快速。如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。 光柵副：如圖2所示為透射光柵，它是一個長光柵，在一塊長方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則的明暗線條。圖中a為刻線寬度，b為可惜案件的縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距或光柵常數(shù)。通常情況下，a=b=W/2，也可以做成a:b=1.1:0.9,刻線密度一般為每毫米10,25,50,100線。

3、 圖2 透射光柵 指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。 光電元件包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。 二、莫爾條紋形成的原理 把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對疊合在一起（片間留有很小的間隙），并使兩者柵線之間保持很小的夾角θ，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，如圖3所示。在a-a’線上，兩光柵的柵線彼此重合，光線從縫隙中通過，形成亮帶；在b-b’線上，兩光柵的柵線彼此錯開，形成暗帶。這種明暗相見

4、的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線方向垂直，故又稱做橫向莫爾條紋。 圖3 光柵和橫向莫爾條紋 由圖可知，橫向莫爾條紋的斜率為 tanα=tanθ2 式中，α為亮（暗）帶的傾斜角，θ為兩光柵的柵線夾角。橫向莫代爾條紋（亮帶與暗帶）之間的距離為 BH=AB=BCsinθ2=W2sinθ2≈Wθ 式中，BH為橫向莫爾條紋之間的距離；W為光柵常數(shù)。 由此可見，莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵的夾角θ決定。對于給定的光柵常數(shù)W的兩光柵，夾角θ越小，條紋寬度越大，即條紋稀。所以通過調(diào)整夾角θ，可以使條紋寬度具有任何所需要的值。 三、莫爾條紋技術(shù)的特點 （1）調(diào)整夾角即可得到

5、很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。 （2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。 （3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用。刻線的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標(biāo)尺測量的主要差別。 上述是基于莫爾條紋技術(shù)利用長光柵進行位移測量，除此之外還可以用徑向光柵進行角度測量，如圖4所示， 圖4 徑向光柵 當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵轉(zhuǎn)動時，條紋即沿徑向移動，測出條紋移動數(shù)目，即可得到標(biāo)尺光柵相對指示光柵轉(zhuǎn)動的角度。