1、光柵和激光位移測量技術一、一、 光柵式傳感器光柵式傳感器 - 等節距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構成的光學元件等節距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構成的光學元件物理光柵：物理光柵：計量光柵：計量光柵：利用光的衍射現象分析光譜、測定波長利用光的衍射現象分析光譜、測定波長利用光的莫爾條紋現象測量精密位移利用光的莫爾條紋現象測量精密位移長光柵長光柵 - 直線位移；圓光柵直線位移；圓光柵 - 角位移角位移 構成：主光柵構成：主光柵 - 標尺光柵，定光柵；指示光柵標尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動光柵動光柵長度長度 - 測量范圍；刻線密度測量范圍；刻線密度 - 測量精度測量精度 ( 10、25、5

2、0、100、125線線/mm )(1) 莫爾條紋（莫爾條紋（Moire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當特例：當 =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當當 =0, w1w2 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時 與光柵移動方向垂直與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距同步性：光柵移動一個柵距 莫爾條紋移動一個間距一方向對應莫爾條紋移動一個

3、間距一方向對應放大性：夾角放大性：夾角很小很小 BW 光學放大光學放大 提高靈敏度提高靈敏度可調性：夾角可調性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準確性：大量刻線準確性：大量刻線 誤差平均效應誤差平均效應 克服個別克服個別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 (2) 光柵傳感器分類與結構原理光柵傳感器分類與結構原理 按運動形式分：按運動形式分： 直線型直線型-主光柵為直尺形主光柵為直尺形直線移動直線移動 旋轉型旋轉型-主光柵為圓盤形主光柵為圓盤形旋轉運動旋轉運動按光學形式分：按光學形式分： 透射式透射式-光源與光電元件在兩側光源與光電元件在兩側透射光透射光 反射式反射式-光源與光電元件同一側光

4、源與光電元件同一側反射光反射光(3)圓光柵傳感器圓光柵傳感器光柵光柵 - 徑向光柵、切向光柵、環形光柵徑向光柵、切向光柵、環形光柵徑向圓光柵徑向圓光柵 切向圓光柵切向圓光柵 徑向光柵的圓弧形莫爾條紋徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵兩塊徑向光柵 - 柵距角相同柵距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光柵不同區域，光柵不同區域，柵柵線交角線交角不同不同- 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋 （不同曲率半徑）（不同曲率半徑）條紋寬度條紋寬度 - 隨位置變化隨位置變化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 條紋近似垂直于柵線條紋近似垂直于柵線偏心方向上偏心方向上- 條紋近似平行于柵線條紋近似平行于柵線- 橫向莫爾條

5、紋橫向莫爾條紋- 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋其他位置其他位置 - 斜向莫爾條紋斜向莫爾條紋實際應用實際應用特例特例 - 光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）主光柵（一個柵距角）主光柵（一個柵距角）- 透光量（一個周期）透光量（一個周期）莫爾條紋莫爾條紋 - 圓弧形、圓弧形、 環形、輻射形環形、輻射形 切向光柵的環形莫爾條紋切向光柵的環形莫爾條紋兩塊切向光柵兩塊切向光柵 -柵距角相同柵距角相同/ /切線圓半切線圓半徑不同徑不同/ /同心疊合同心疊合環形莫爾條紋環形莫爾條紋 - 以光柵中心為圓心的同心圓簇以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度條紋寬度 - 隨條紋位置變化隨條紋

6、位置變化應用：高精度角度測量和分度應用：高精度角度測量和分度- 全光柵平均效應全光柵平均效應優點：優點： 環形環形光柵的輻射形莫爾條紋光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環形光柵兩塊環形光柵（相同）（相同）- 柵線相對柵線相對/ /不大的偏心量不大的偏心量輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋 - 條紋近似直線條紋近似直線/呈輻射狀呈輻射狀特點：條紋數目特點：條紋數目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圓心連線方向圓心連線方向光柵旋轉光柵旋轉 - 條紋數目條紋數目/位置（不變）位置（不變）偏心量（一個柵距）偏心量（一個柵距）- 莫爾條紋數目莫爾條紋數目增加一條（一個象限內）增加一條（一個象限內）應用：主軸偏移、

7、晃動應用：主軸偏移、晃動(4) 光柵傳感器特點光柵傳感器特點 精度高：測長精度高：測長(0.2+210-6L)m，測角，測角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長（米），反射式光柵尺長（米），反射式-幾十米幾十米響應快：可用于動態測量響應快：可用于動態測量增量式：增量碼測量增量式：增量碼測量 計數計數 斷電斷電數據消失數據消失要求高：對環境要求高要求高：對環境要求高溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度成本高：電路復雜成本高：電路復雜 二、激光干涉測量系統二、激光干涉測量系統單頻激光干涉系統單頻激光干涉系統雙頻激光干涉系統雙頻激光干涉系統- 信噪比高，抗干擾能力

8、強，大位移測量（信噪比高，抗干擾能力強，大位移測量（200m以上）以上）雙頻激光干涉測量系統雙頻激光干涉測量系統三、激光測距系統三、激光測距系統2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范圍遠距離測距（幾千大范圍遠距離測距（幾千/幾十千米）幾十千米）1）脈沖測距法）脈沖測距法2）相位差測距法）相位差測距法激光短脈沖信號（激光器激光短脈沖信號（激光器 被測目標）被測目標）測量精度：時間間隔測量精度（脈沖窄、響應速度快）測量精度：時間間隔測量精度（脈沖窄、響應速度快）遠距離遠距離 - 固體固體/二氧化碳；近距離二氧化碳；近距離 - 半導體半導體巨脈沖激光器巨脈沖激光器 - 地球地球月球距離（分辨

9、力：月球距離（分辨力：1m）激光束調制激光束調制 - 相位差相位差 - 時間時間 - 距離距離距離距離特點：測量精度高、分辨力強特點：測量精度高、分辨力強0042fccD原理：原理： y = f ( x) x yKeyence 激光測距傳感器激光測距傳感器激光測距產品特點：特點： 非接觸、不易劃傷表面、結構簡單、測量距離大、非接觸、不易劃傷表面、結構簡單、測量距離大、 抗干擾、測量點小（幾十微米）、測量準確度高抗干擾、測量點小（幾十微米）、測量準確度高精度：光學元件本身的精度、環境溫度、激光束的光強和直精度：光學元件本身的精度、環境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體的表面特征徑大小以及被測物體的表面特征應用：應用：厚度測量：厚度測量：(a) 參考表面：兩傳感器同向參考表面：兩傳感器同向 - 減小偏心誤差減小偏心誤差(b) 相對測量：兩傳感器反向，無參考表面相對測量：兩傳感器反向，無參考表面 - 克服鋼板本身克服鋼板本身上下起伏造成的誤差上下起伏造成的誤差測量范圍：測量