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光栅传感器工作原理

一、光栅传感器的基本原理

光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅,多用于位移测量及与位移相关的物理量,如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面的测量。光栅传感器的基本结构如图1所示:

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图1 光栅传感器的基本结构

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如图1所示,当标尺光栅相对于指示光栅移动时,形成亮暗交替变化的莫尔条纹。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号,转换成电脉冲信号,并用数字显示,便可测量出标尺光栅的移动距离。

光栅传感器光源:钨丝灯泡的输出功率较大,工作范围较宽为-40℃到+130℃,但是它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。因此必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。半导体发光器件转换效率高,响应快速。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。

光栅副:如图2所示为透射光栅,它是一个长光栅,在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹,形成规则的明暗线条。图中a为刻线宽度,b为可惜案件的缝隙宽度,a+b=W 称为光栅的栅距或光栅常数。通常情况下,a=b=W/2,也可以做成a:b=1.1:0.9,刻线密度一般为每毫米10,25,50,100线。

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图2 透射光栅

指示光栅一般比主光栅短得多,通常刻有与主光栅同样密度的线纹。

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。

二、莫尔条纹形成的原理

把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起(片间留有很小的间隙),并使两者栅线之间保持很小的夹角θ,于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹,如图3所示。在a-a’线上,两光栅的栅线彼此重合,光线从缝隙中通过,形成亮带;在b-b’线上,两光栅的栅线彼此错开,形成暗带。这种明暗相见的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直,故又称做横向莫尔条纹。

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图3 光栅和横向莫尔条纹

由图可知,横向莫尔条纹的斜率为

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式中,为亮(暗)带的倾斜角,为两光栅的栅线夹角。横向莫代尔条纹(亮带与暗带)之间的距离为

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式中,为横向莫尔条纹之间的距离;W为光栅常数。

由此可见,莫尔条纹的宽度由光栅常数与光栅的夹角决定。对于给定的光栅常数W

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的两光栅,夹角越小,条纹宽度越大,即条纹稀。所以通过调整夹角,可以使条纹宽度具有任何所需要的值。

三、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。

上述是基于莫尔条纹技术利用长光栅进行位移测量,除此之外还可以用径向光栅进行角度测量,如图4所示,

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图4 径向光栅

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。