光柵傳感器工作原理

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(jì)量光柵， 多用于位移測(cè)量及與位移相關(guān)的物理量，如速度、加速度、振動(dòng)、質(zhì)量、表面輪廓等方面的測(cè)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(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，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(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并用數(shù)字顯示， 便可測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)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(jī)械振動(dòng)和

2、沖擊條件下工作時(shí)，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(dá)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(gè)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

3、,100 線。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(shí)，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(hào)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(duì)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 ，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(cuò)開， 形成暗帶。 這種明

4、暗相見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式中，為亮（暗）帶的傾斜角，為兩光柵的柵線夾角。橫向莫代爾條紋（亮帶與暗帶）之間的距離為式中，為橫向莫爾條紋之間的距離；W 為光柵常數(shù)。由此可見， 莫爾條紋的寬度由光柵常數(shù)與光柵的夾角決定。對(duì)于給定的光柵常數(shù)W的兩光柵，夾角越小，條紋寬度越大，即條紋稀。所以通過調(diào)整夾角，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(diǎn)（ 1）調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測(cè)量精度。（ 2）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。（ 3）光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對(duì)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(cè)量精度。 這是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。上述是基于莫爾條紋技術(shù)利用長光柵進(jìn)行位移測(cè)量， 除此之外還可以用徑向光柵進(jìn)行角度測(cè)量，如圖