光柵數字傳感器2023/2/3一、光柵的結構和分類1.光柵的結構

光柵是在一塊長條型（圓形）光學玻璃（或金屬）上均勻刻上許多寬度相等的刻線，形成透光與不透光相間排列的光電器件。柵線——光柵上的刻線，寬度a

縫隙寬度b

柵距w=a+b（也稱光柵常數）2023/2/32、分類按原理和用途：物理光柵和計量光柵物理光柵：刻線細密,利用光的衍射現象,主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵：主要利用莫爾現象實現長度、角度、速度、加速度、振動等幾何量的測量。2023/2/32、分類按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金屬）透射式光柵：刻劃基面采用玻璃材料反射式光柵：刻劃基面采用金屬材料按柵線形式：黑白光柵（幅值光柵）和閃耀光柵（相位光柵）黑白光柵：利用照相復制工藝加工而成,其柵線與縫隙為黑白相間結構；相位光柵：橫斷面呈鋸齒狀,常用刻劃工藝加工而成。2023/2/32、分類按應用類型：長光柵和圓光柵長光柵：刻劃在玻璃尺上的光柵，也稱為光柵尺，刻線相互平行；用于測量長度或線位移2023/2/3構成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)2023/2/3

圓光柵：在圓盤玻璃上刻線，用來測量角度或角位移.2023/2/3柵距柵線寬度縫隙寬度柵距角2023/2/3圓光柵分類：根據柵線刻劃的方向，圓光柵分三種：

徑向光柵:其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；切向光柵:其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點兒或幾個毫米的小圓相切;

環形光柵:一簇等間距同心圓組成.若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。2023/2/32023/2/33.莫爾條紋1).莫爾條紋的形成

如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且指示光柵和主光柵的刻線相交一個微小的夾角θ時,光源照射光柵尺，由于擋光效應，兩塊光柵刻線的相交處形成暗帶，而在刻線彼此錯開處形成亮帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。f－f線區則是由于光柵的遮光效應形成的。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，d－d線區所示。長光柵莫爾條紋主光柵指示光柵2023/2/3

長光柵橫向莫爾條紋2023/2/3橫向莫爾條紋：由于兩光柵的柵線夾角θ很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋。縱向莫爾條紋：當柵線的夾角θ＝0，且兩光柵柵距不等時產生的莫爾條紋。光閘莫爾條紋：當柵線的夾角θ＝0,且兩光柵柵距相等時產生的莫爾條紋。2023/2/3橫向莫爾條紋光閘莫爾條紋縱向莫爾條紋當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度B。2)莫爾條紋的特征①、位移放大作用2023/2/32)莫爾條紋的特征①、位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角θ的關系為：2023/2/3結論：

θ越小,k越大，B越大。例如：θ=0.1°，W=0.02mm時

θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432rad

則：B=11.4592mm。莫爾條紋間距放大了光柵間距，令k為放大系數，則：

θ越小，B越大，這相當于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度B是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。2023/2/3②、運動對應關系

通過莫爾條紋的運動特性判別光柵的運動特性光柵移動一個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔；光柵改變運動方向，莫爾條紋隨之改變運動方向。當移動的刻線數i和角度θ一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正比，即：

2023/2/3

③誤差的平均效應光電元件對光柵的柵距誤差具有平均消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

莫爾條紋（Moire）

條紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b

，a=b=W/2

特例：當=0,w1=w2

→B=→光閘莫爾條紋當=0,w1≠w2

→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播放中……圓弧莫爾條紋單擊準備演示播放動畫莫爾條紋動畫光閘莫爾條紋播放動畫播放中……環形莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準備演示單擊準備演示輻射形莫爾條紋播放動畫長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵光閘莫爾條紋播放動畫(1)莫爾條紋的移動方向：當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2)位移的放大作用：當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。當兩個等距光柵的柵間夾角θ較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數：結論：莫爾條紋測位移具有三個特點條紋間距與柵距的關系為：

當θ角較小時，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數相當大。這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。從而實現高靈敏的位移測量。(3)

誤差的平均效應：莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用

分辨力=W=1/50=0.02mm=20m

放大倍數≈1/θ=1/(1.8×3.14/180)≈31.83

莫爾條紋的寬度L=W/θ≈0.637mm

例：一直線光柵，每毫米刻線數為50，主光柵與指示光柵的夾角β=1.8，分辨力、放大倍數、莫爾條紋的寬度分別為多少？2023/2/3光柵傳感器由主光柵、指示光柵、光源和光電器件組成。工作原理：

利用光柵的莫爾條紋現象實現幾何量的測量：光柵的相對移動使透射光強度呈周期性變化，光電元件把這種光強信號變為周期性變化的電信號，由電信號的變化即可獲得光柵的相對移動量。二、

光柵傳感器的工作原理2023/2/3特點：

數字式傳感器：能把被測的模擬量直接轉換成數字量。與模擬傳感器相比，數字式傳感器抗干擾能力強,穩定性強;易于微機接口,便于信號處理和實現自動化測量。二、

光柵傳感器的工作原理透鏡光柵副光電元件光源1、裝置結構2023/2/31、光電轉換原理

1－光源；2－聚光鏡；3－光柵主尺；4－指示光柵；5－光敏元件；6－莫爾條紋；7－光強分布2023/2/3主光柵固定在被測物體上，它隨被測物體的直線位移而產生移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。當主光柵產生位移時，莫爾條紋便隨著產生位移。用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數目，可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。W條紋間距W條紋間距光電元件W如何測量微小位移量？

光電元件光電元件感受的光強變化是否明顯？

2023/2/3傳感器原理及應用1、光閘莫爾條紋光電轉換原理理想情況：三角形莫爾條紋是一個明暗相間的帶。從圖中可看出，兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經漸亮到漸暗，再到最暗的漸變過程。主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉換為電信號，接近于正弦周期函數。光柵位移與光強、輸出電壓的關系2023/2/32、光閘莫爾條紋測量位移原理當光電元件5接收到明暗相間的正弦信號時,根據光電轉換原理將光信號轉換為電信號。當主光柵移動一個柵距w時,電信號則變化了一個周期。光電元件輸出波形為：直流分量交流分量光柵相對位移量2023/2/3

當波形重復到原來的相位和幅值時,相當于光柵移動了一個柵距w,如果光柵相對位移了N個柵距,此時位移x=NW。因此,只要能記錄移動過的莫爾條紋數N,就可以知道光柵的位移量x值。這就是利用光閘莫爾條紋測量位移的原理。2023/2/3三、辨向原理及辨向電路1、辨向的原因當指示光柵無論向前或向后移動時，在一固定點安裝的光電元件只能接收到莫爾條紋明暗交替的變化，后面的數字電路都將發生同樣的計數脈沖，從而無法辨別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路。2023/2/32、辨向原理與辨向電路

為辨別主光柵的移動方向,需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向,且兩個莫爾條紋信號相差90°相位。實現的方法是在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件,當莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規律完全一樣,相位相差π/2。滯后還是超前完全取決于光柵的運動方向。這種區別運動方向的方法稱為位置細分辨向原理。2023/2/3圖7.5辨向原理Lu1u2L/41、2－光電元件；3－指示光柵；4－莫爾條紋；

A－光柵移動方向；B－莫爾條紋移動方向；

U01－元件AB(1)對應的輸出電壓；

U02－元件CD(2)對應的輸出電壓；u1u2微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖整形放大整形放大u1u2u1'u2'2023/2/3AB與CD兩個狹縫在結構上相差π/2,所以它們在光電元件上取得的信號必是相差π/2。AB為主信號,CD為門控信號。當主光柵作正向運動時,CD產生的信號只允許AB產生的正脈沖通過,門電路在可逆計數器中作加法運算；當主光柵作反方向移動時,則CD產生的負值信號只讓AB產生的負脈沖通過,門電路在可逆計數器中作減法運算。2023/2/3U1和U2經過整形后得兩個方波信號U1ˊ和U2ˊ。

U1ˊ產生計數脈沖，U2ˊ的電平狀態作為與門的控制信號,來控制在不同的移動方向時,U1ˊ所產生的脈沖輸出路線。這樣就可以根據運動方向正確的給出加計數脈沖或減計數脈沖,再將其輸入可逆計數器,實時顯示出相對于某個參考點的位移量。

整形放大u1u2u2'u1'微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1f'正向移動時u1整形放大u2'u2整形放大u1u2u2'u1'微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1f'u1整形放大u2'u2正向移動時u1u2u2'u1f'u1'整形放大微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖u1'u1f'u1整形放大u2'u2反向移動時微分微分反相Y1Y2加法脈沖減法脈沖整形放大整形放大u1u2u1'u2'2023/2/3當光柵沿A向移動時,莫爾條紋向B向移動。U2超前U190°。U1ˊ經微分電路后產生的脈沖（如圖中實線所示）正好發生在U2ˊ的“1”電平時,從而經Y1輸出一個加計數脈沖;而U1ˊ經反相并微分后產生的脈沖（如圖中虛線所示）則與U2ˊ的“0”電平相遇,與門Y2被阻塞,無脈沖輸出。當光柵沿A反方向移動時,莫爾條紋向B反向移動。U1超前U290°。U1ˊ的微分脈沖發生在U2ˊ為“0”電平時,與門Y1無脈沖輸出;而U1ˊ的反相微分脈沖則發生在U2ˊ的“1”電平時,與門Y2輸出一個減計數脈沖。2023/2/3四、

莫爾條紋細分技術目的：提高分辨力（測量更小的位移量）。細分方法：

1.增加光柵刻線密度；

2.電子細分；

3.機械和光學細分。2023/2/3電子細分：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內,發出n個脈沖,每個脈沖代表原來柵距的1/n。由于細分后計數脈沖頻率提高了n倍,因此也稱之為n倍頻法。通常采用的電子細分方法有：四倍頻細分和電橋細分等。2023/2/31.四倍頻細分方案：在一個莫爾條紋寬度上并列放置四個光電元件，得到四個相差依次為π/2的電壓信號；或在相差B/4位置上安放兩個光電元件，得到兩個相差π/2電壓信號，將這兩個信號整形、反相后得到四個依次相差π/2的電壓信號。

在光柵作相對運動時，經過微分電路，在正向運動時，得到四個微分脈沖（加計數脈沖）；反向運動時，得到四個微分脈沖（減計數脈沖）。采用電路的手段對周期性的測量信號進行插值，以提高分辨率。u1'L用鑒頻器鑒取四個信號的零電平，當每個信號從負到正過零點時發一個計數脈沖L2023/2/3相距B/4放置四個光電元件

2023/2/3五、

光柵傳感器的光學系統組成：光源、透鏡、光柵、光敏元件光源：白熾燈或其它發光元件；透鏡：把光線變成平行光束照射在光尺上；光敏元件：輸出電壓信號；形式：透射直讀式、反射直讀式、反射積分式等尺身尺身安裝孔