1、Chapter6數(shù)字傳感器6.2 光柵傳感器 Grating Sensor傳感器原理及實驗16.2 光柵傳感器在一百多年前，人們就開始利用光柵的衍射現(xiàn)象，把光柵應(yīng)用于光譜分析、測定光波的波長等方面，本世紀50年代，人們利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，把光柵作為測量元件，開始應(yīng)用于機床和計算儀器上。 物理光柵： 利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測定波長。計量光柵： 利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測量精密位移。2回顧位移量測量電阻式 電位器 應(yīng)變式電感式 差動電感式 差動變壓器電容式 變極距式 變面積式電渦流式 電渦流測微移 霍爾器件 霍爾位移傳感器 量程 幾微米 幾百毫米精度 0.1% 1.0% ？ 大量程 高精度 模擬

2、式傳感器3回顧位移量測量數(shù)字式位移傳感器編碼器光柵？ 大量程 高精度 脈沖數(shù)字式傳感器46.2 光柵傳感器6.2.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理6.2.2 莫爾條紋形成的原理及特點6.2.3 光柵的光路6.2.4 辨向原理6.2.5 細分技術(shù)6.2.6 應(yīng)用長度計數(shù)控機床橋梁健康檢測系統(tǒng)56.2 光柵傳感器1950年德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。光柵在柵式測量系統(tǒng)中的占有率已超過80%，光柵長度測量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從60m/

3、min，到480m/min。測量長度從1m、3m達到30m和100m。 66.2.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理按光柵的形狀和用途分為：長光柵線位移 分辨率0.0010.1m；測量范圍 米。 圓光柵角位移 角度分辨率0.01 76.2.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理光柵副是光柵傳感器的主要部分。主光柵(標尺光刪)指示光柵標尺光柵的有效長度決定了傳感器的有效測量長度和范圍。光柵由光源、透鏡、光柵副和光電接收元件組成。圖1 光柵傳感器構(gòu)成86.2.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理 圖2 掃描光柵傳感器構(gòu)成91. 光源鎢絲燈泡發(fā)光二極管 101. 光源用鎢絲燈泡，它有較大的輸出功率，較寬的工作范圍為一400C130C，

4、但是它與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械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。111. 光源半導(dǎo)體發(fā)光器件近年來發(fā)展很快，如砷化鎵發(fā)光二極管可以在-66C 100C的溫度下工作，發(fā)出的光為近似紅外光(9194)，接近硅光敏三極管的敏感波長。雖然砷化鎵發(fā)光二極管的輸出功率比鎢絲燈泡低，但是它是與硅光敏三極管相結(jié)合，有很高的轉(zhuǎn)換效率，最高可達30左右。此外砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)時間約為幾十納秒，與光敏三極管組合可得到的響應(yīng)速度。這種快速的響應(yīng)特征，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。122. 光電元件光電池光敏三極管13

5、2. 光電元件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。143. 光柵副光柵副是光柵傳感器的核心部分。在長度計量中應(yīng)用的光柵通常稱為計量光柵。透射光柵是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)則排列的明暗線條，如圖3所示。 圖3 黑白透射光柵示意圖 (a)主光柵 (b)指示光柵153. 光柵副a為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距(或光柵常數(shù))。兩光柵之間的縫隙0.02 0.035mm。通常情況，a=b=w/2

6、，也可以做成a:b=1.1:0.9?？叹€密度一般為每毫米(10、25、50、1000)線。166.2.2 莫爾條紋形成的原理及特點 莫爾條紋（Moire fringes）1874年由英國物理學(xué)家L.Rayleigh首先提出莫爾條紋這種圖案的工程價值，直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。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(光柵刻線)之間保持很小的夾角，于是在近于垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋。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。這種明暗相間的條紋稱

7、為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線方向垂直，故又稱橫向莫爾條紋。171. 莫爾條紋的形成原理圖4 莫爾條紋形成原理181. 莫爾條紋的形成原理當移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，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，并用標尺光柵相對于指示光柵數(shù)字顯示，從而測量出標尺光柵的移動距離。19(1) 長光柵莫爾條紋播放動畫20(2) 長光柵光閘莫爾條紋播放動畫21播放中(3) 圓弧莫爾條紋單擊準備演示播放動畫22(4) 光閘莫爾條紋播放動畫播放中231. 莫爾條紋的形成原理由圖5可見，在a-a線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構(gòu)

8、成的；在d-d線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。241. 莫爾條紋的形成原理圖5 莫爾條紋251. 莫爾條紋的形成原理由圖可以看出，式中，為亮(暗)帶的傾斜角；為兩光柵的柵線夾角。 BH為橫向莫爾條紋之間的距離；W為光柵常數(shù)。262. 莫爾條紋 技術(shù)的特點 特性（光柵傳感器具有高精度的原因）（1）運動對應(yīng)關(guān)系（2）位移放大作用（3）誤差平均作用 272. 莫爾條紋技術(shù)的特點 (1) 莫爾條紋運動對應(yīng)關(guān)系 如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當光柵1向左移動時，莫

9、爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。 因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進行辨向。282. 莫爾條紋技術(shù)的特點 (2) 位移的放大作用 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BH，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)系為：（6 - 1） 292. 莫爾條紋技術(shù)的特點 (2) 位移的放大作用越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/倍。例如=0.1，則1/573，即莫爾條紋寬度BH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。302. 莫爾條紋技術(shù)的特點 (3) 誤

10、差的平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 316.2.3 光柵的光路 光路的形式圖6 垂直透射式光路 圖7 反射式光路326.2.3 光柵的光路 1. 透射式光路圖8 透射式長光柵 圖9 透射式圓光柵336.2.3 光柵的光路1. 透射式光路在透明的玻璃上均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵叫做透射光柵。透射光柵的主光柵一般用普通工業(yè)用白玻璃，而指示光柵最好用光學(xué)玻璃。光源1發(fā)出的光，經(jīng)準直透鏡2形成平行光束垂直投射到光柵上，由主光柵3和指示光柵斗形成的莫爾條紋光信號由光電元件5接收。此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵

11、。光路特點是結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，凋整使用聲便，目前應(yīng)用比較廣泛。346.2.3 光柵的光路 2. 反射式光路圖10 反射式長光柵 356.2.3 光柵的光路2. 反射式光路在具有強反射能力的基體(不銹鋼或玻璃鍍金屬膜)上，均勻地刻劃間距、寬度相等的條紋而形成的光柵叫做反射光柵。光源6經(jīng)聚光鏡和場鏡3后形成平行光束，以一定角度射向指示光柵2，經(jīng)反射主光柵1反射后形成莫爾條紋，再經(jīng)反射鏡4和物鏡7在光電電池8上成像。該光路適用于黑白反射光柵。366.2.4 辨向原理在實際應(yīng)用中，大部分被測物體的移動往往不止是單向的，既有正向運動，也可能有反向運動。單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明

12、暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。376.2.4 辨向原理設(shè)主光柵隨被測零件正向移動10個柵距后，又反向移動1個柵距，也就是相當于正向移動了9個柵距?？墒牵瑔蝹€光電元件由于缺乏辨向本領(lǐng)，從正向運動的10個柵距得到了10個條紋信號，從反向運動的1個柵距又得到1個條紋信號，總計得到11個條紋信號。這和正向移動11個柵距得到的條紋信號數(shù)相同，因而這種測量結(jié)果是不正確的。如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。386.2.4 辨向原理完成這種辨向任務(wù)的

13、電路就是辨向電路。為了能夠辨向，應(yīng)當在相距的位置上設(shè)兩個光電元件1和2，以得到兩個相位互差90的正弦信號，如圖所示，然后送到辨向電路中處理，如圖所示。396.2.4 辨向原理圖11 相距1/4BH的兩個光電元件406.2.4 辨向原理圖12 辯向電路原理416.2.4 辨向原理圖13 辯向電路各點波形圖426.2.4 辨向原理主光柵正向移動時，莫爾條紋向上移動，這時光電元件2的輸出電壓波形如圖（a）中曲線所示。光電元件1的輸出電壓波形如曲線所示，顯然U1超前U290相角。U1”是U1反相后得到的方波。U1W和U1W”是U1和U1”兩個方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖(a)可見，對于與門Y1，由

14、于U1W處于高電平時， U2總是處于低電平，因此Y1輸出為零；對于與門Y2，U1W”處于高電平， U2處于高電平，因此與門Y2有信號輸出。使加減控制觸發(fā)器置1，可逆計數(shù)器做加法計數(shù)。436.2.4 辨向原理主光柵反向移動時，莫爾條紋下移動，這時光電元件2的輸出電壓波形如圖（b）中曲線所示。光電元件1的輸出電壓波形如U1曲線所示，顯然U2超前U190相角。與正向移動時情況相反。整形放大后的U2仍超前U1 90。 U1”是U1反相后得到的方波。U1W和U1W”是U1和U1”兩個方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖(b)可見，對于與門Y1，由于U1W處于高電平時， U2也處高電平，因此Y1有輸出；對于與

15、門Y2，U1W”處于高電平，U2處于低電平，因此與門Y2沒有信號輸出。因此加減控制觸發(fā)器置0，可逆計數(shù)器做減法計數(shù)。446.2.4 辨向原理正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可以辨向，因而可以進行正確的測量。456.2.5 細分技術(shù)圖14 光柵位移與光強、輸出電壓的關(guān)系466.2.5 細分技術(shù) 前面分析的莫爾條紋是一個明暗相間的帶。從圖5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(jīng)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

16、將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，接近于正弦周期函數(shù)(如圖14所示)。476.2.5 細分技術(shù)如以電壓輸出，即 uo光電元件輸出的電壓信號； Uo輸出信號中的平均直流分量； Um輸出信號中正弦交流分量的幅值。由式可見，輸出電壓反映了位移量的大小。（6 - 2） 486.2.5 細分技術(shù)利用光柵進行測量時，當運動零件移動一個柵距，輸出一個周期的交變信號，也即產(chǎn)生一個脈沖間隔。因此，只要記錄波形變化周期數(shù)或脈沖間隔數(shù)n，就可以知道光柵的位移x，即x=nB。每個脈沖間隔代表移過一個柵距，即分辨力(或稱脈沖當量)為一個柵距。例如每毫米250條柵線的長光柵，柵距為4m，那么其分辨力(脈沖當量)為4m。496.2.5

17、 細分技術(shù)細分技術(shù)就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當量，提高分辨力。1953年英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統(tǒng)，在一個莫爾條紋周期實現(xiàn)4倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今。 如柵距為4m的光柵，通過4倍頻技術(shù)，分辨力可從4m提高到1m。506.2.5 細分技術(shù)1. 光學(xué)細分2. 電子細分 *3. 微機軟件細分511. 光學(xué)細分光學(xué)細分由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試困難、成本高等原因，已很少使用。522. 電子細分電子細分的原理是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量。如果

18、一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，就可使分辨率為原來的n倍，所以也稱為n倍頻。在電子細分中，常采用的是4倍頻細分法。電子細分不可能得到很高的細分數(shù)，而且細分數(shù)是固定的。532. 電子細分四細分方法一用4個依次相距BH/4的光電元件，獲得相位差90的4個正弦交流信號。用鑒零器鑒取4個信號的零電平，即在每個信號由負到正過零點時發(fā)出一個計數(shù)脈沖。542. 電子細分四細分方法二用相距BH/4位置的兩個光電元件，輸出相位差90的正弦交流信號U1和U2，通過反相電路，U3U1，U4 =U2，可獲得相位差90 的四個正弦交流信號U1、U2、U3和U4。經(jīng)電路處理可在移動一個柵距的過程中得到4個等間隔的計數(shù)脈沖。552

19、. 電子細分圖15細分與未細分的波形比較563. 微機軟件細分圖16 微機軟件細分原理框圖573. 微機軟件細分大多數(shù)光柵數(shù)顯表都采用了微機軟件細分法。軟件細分法是將兩個相差/2的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入微機，再利用一定的算法計算出莫爾信號的相位，即可推算出此時莫爾條紋內(nèi)的位置點，得到小于柵距的細分值，此值稱為小數(shù)。通過辨向電路輸出的大數(shù)脈沖，脈沖頻率對應(yīng)于莫爾條紋的變化頻率，脈沖當量為光柵柵距值。經(jīng)過大、小數(shù)合并處理后，再經(jīng)過微機進行數(shù)值計算和碼制轉(zhuǎn)換等處理，即可得到測量值。優(yōu)點：得到高的細分數(shù)，而且可以通過編程改變細分數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，非常適用于智能檢測與控制系統(tǒng)。586.2

20、.6 光柵傳感器的應(yīng)用精度高測量范圍大易于實現(xiàn)自動化和數(shù)字化能實現(xiàn)大量程 高精度 596.2.6 光柵傳感器的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域 機床行業(yè) 三坐標測量機 精密轉(zhuǎn)臺 工廠自動化 電機行業(yè) 電子制造設(shè)備 印刷行業(yè) 造紙行業(yè) 水利行業(yè) 紡織行業(yè) 天文望遠鏡 航空和航天測量參數(shù)長度 角度速度 加速度 振動 表面輪廓606.2.6 光柵傳感器的應(yīng)用1. 長度計2. 數(shù)控機床3. 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)611. 長度計結(jié)構(gòu)621. 長度計遵循阿貝原則，測量桿和測量基準精確地在一條直線上，所構(gòu)成的測量環(huán)的部件，如測量基準、測量桿、支架和掃描頭都按照機械穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性最好的原則設(shè)計，以確保長度計盡可能有高的精度。631.

21、 長度計641. 長度計計量和生產(chǎn)控制 651. 長度計量塊檢定和測量設(shè)備的檢測661. 長度計多點檢測設(shè)備671. 長度計位置測量681. 長度計測量范圍：0100mm精度： 0.1m/0.05m/0.03mLength Gauges692. 數(shù)控機床702. 數(shù)控機床測量系統(tǒng)712. 數(shù)控機床723. 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)金門大橋是美國最著名的橋梁，主橋1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨徑的橋梁的記錄。734.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)南京長江二橋是我國目前跨徑最大的斜拉橋，世界第三 。744.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)75橋梁是公路、鐵路運輸線路、城市交通網(wǎng)絡(luò)上的

22、關(guān)鍵設(shè)施，是國家的經(jīng)濟命脈。它們在國民經(jīng)濟及社會生活中起著十分重要的作用，如何確保橋梁特別是大型橋梁經(jīng)常處于健康狀態(tài)這一問題愈來愈受到橋梁工程界的重視。由于傳統(tǒng)的傳感技術(shù)自身的缺點，已不能滿足人們對橋梁可靠、分布式、實時地監(jiān)測要求，橋梁和傳感方面的專家不斷尋求更新更先進的技術(shù)，光纖光柵傳感技術(shù)正是在這種背景下在橋梁方面得到了廣泛地應(yīng)用。764.3 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)773. 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測，監(jiān)測大橋在各種環(huán)境下的荷載變化，為橋梁的日常運營管理提供可靠信息；橋梁溫度監(jiān)測，通過對橋梁有代表性的監(jiān)測點進行溫度分布監(jiān)測，可以驗證設(shè)計假定或根據(jù)實際測量的結(jié)果重新計算溫度對橋梁內(nèi)力和變形的影響。以便對橋梁的安全狀態(tài)做出更加符合實際的評價；橋梁施工過程檢測，確保施工質(zhì)量和安全；橋梁成橋檢測及荷載試驗的監(jiān)測，保證橋梁質(zhì)量。橋梁長期健康監(jiān)測，橋梁運營現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測和車輛荷載監(jiān)測；橋梁主要構(gòu)件的實際工作狀況監(jiān)測、承載能力及剩余使用壽命評估；為結(jié)構(gòu)維護提供依據(jù)，為結(jié)構(gòu)損傷提供預(yù)警；舊橋改造加固、