成都信息工程（成都信工学院）：电子工业出版社《传感器与检测技术》教学资源（PPT课件）第4章光电式传感器原理与应用（4.5）光栅传感器

4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术

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4.5光栅传感器 45.1光栅传感器的结构 452莫尔条纹形成的原理 453莫尔条纹技术的特点 454光栅的光路 45.5辨向原理 456细分技术

4.5 光栅传感器 4.5.1 光栅传感器的结构 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 4.5.4 光栅的光路 4.5.5 辨向原理 4.5.6 细分技术

4.5.1光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅和指示光栅)和光电接收元件组成。光源透镜主光栅透镜指示光栅光电元件上一页下一页

4.5.1 光栅传感器的结构 ⚫ 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。返回上一页下一页

光栅传感器光源: 钨丝灯泡输出功率较大,工作范围较宽(-40°到+130%C) 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时,使用寿命将降低。半导体发光器件: 转换效率高,响应特征快速。如砷化镓发光二极管,与硅光敏三极管相结合,转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns,可以使光源工作在触发状态,从而减小功耗和热耗散。上一页下一页

光栅传感器光源： ⚫ 钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。 ⚫ 半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。。返回上一页下一页

光栅副:指示光栅+主光栅 (a)主光栅放大 (b)指示光栅 a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数) 通常情况下,a=b=W2 上一页下一页

光栅副：指示光栅＋主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2 返回上一页下一页

光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时,需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件,以获得高的转换效率在光敏元件的输出端,常接有放大器,通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。上一页下一页

光电元件 ⚫ 包括有光电池和光敏三极管等部分。 ⚫ 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。返回上一页下一页

4.52莫尔条纹形成的原理 6 横向莫尔条纹的斜率 tan a= tan wvii 2 m莫尔条纹间距 BuI BC wW B=AB= 6 sIn 2 莫尔条纹的宽度Bn由光栅常数与光栅夹角决定上一页下一页

4.5.2 莫尔条纹形成的原理 2 tan tan   = 横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距    BC W W BH = AB = =  2 2sin 2 sin 莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定返回上一页下一页

4.53莫尔条纹技术的特 (1)调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度,起到了放大作用,又提高了测量精度 (2)莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化,便于将电信号作进一步细分,即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。 (3)光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别上一页下一页

4.5.3 莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术” 。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。返回上一页下一页

径向光栅进行角度测量指示光栅莫尔条纹度盘光栅当标尺光栅相对于指示光栅转动时,条纹即沿径向移动, 测出条纹移动数目,即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。上一页下一页

径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。返回上一页下一页

4.5.4光栅的光路透射光路反射光路上一页下一页

4.5.4 光栅的光路 ⚫ 透射光路 ⚫ 反射光路返回上一页下一页

(1)透射式光路 4 1-光源 2-准直透镜 b3主光栅 4指示光栅 5光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点:结构简单,位置紧凑,调整使用方便,应用广泛上一页下一页

（1）透射式光路 1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。返回上一页下一页

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