光柵及位移測(cè)量

1、光柵及位移測(cè)量一、一、 光柵式傳感器光柵式傳感器 - 等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件物理光柵：物理光柵：計(jì)量光柵：計(jì)量光柵：利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測(cè)定波長(zhǎng)利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測(cè)定波長(zhǎng)利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量精密位移利用光的莫爾條紋現(xiàn)象測(cè)量精密位移長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵 - 直線位移；圓光柵直線位移；圓光柵 - 角位移角位移 構(gòu)成：主光柵構(gòu)成：主光柵 - 標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵 - 動(dòng)光柵動(dòng)光柵長(zhǎng)度長(zhǎng)度 - 測(cè)量范圍；刻線密度測(cè)量范圍；刻線密度 - 測(cè)量精度測(cè)量精度 ( 10、25、50、10

2、0、125線線/mm )(1) 莫爾條紋（莫爾條紋（Moire） 條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng)特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當(dāng)當(dāng) =0, w1w2 縱向莫爾條紋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(dòng)莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) 與光柵移動(dòng)方向垂直與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方

3、向?qū)?yīng)放大性：夾角放大性：夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度可調(diào)性：夾角可調(diào)性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準(zhǔn)確性：大量刻線準(zhǔn)確性：大量刻線 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別克服個(gè)別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 (2) 光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)原理 按運(yùn)動(dòng)形式分：按運(yùn)動(dòng)形式分： 直線型直線型-主光柵為直尺形主光柵為直尺形直線移動(dòng)直線移動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按光學(xué)形式分：按光學(xué)形式分： 透射式透射式-光源與光電元件在兩側(cè)光源與光電元件在兩側(cè)透射光透射光 反射式反射式-光源與光電元件同一側(cè)光源與光電

4、元件同一側(cè)反射光反射光(3)圓光柵傳感器圓光柵傳感器光柵光柵 - 徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向圓光柵徑向圓光柵 切向圓光柵切向圓光柵 徑向光柵的圓弧形莫爾條紋徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵兩塊徑向光柵 - 柵距角相同柵距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光柵不同區(qū)域，光柵不同區(qū)域，柵柵線交角線交角不同不同- 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋 （不同曲率半徑）（不同曲率半徑）條紋寬度條紋寬度 - 隨位置變化隨位置變化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 條紋近似垂直于柵線條紋近似垂直于柵線偏心方向上偏心方向上- 條紋近似平行于柵線條紋近似平行于柵線- 橫向莫爾條紋橫向莫

5、爾條紋- 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋其他位置其他位置 - 斜向莫爾條紋斜向莫爾條紋實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用特例特例 - 光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）主光柵（一個(gè)柵距角）主光柵（一個(gè)柵距角）- 透光量（一個(gè)周期）透光量（一個(gè)周期）莫爾條紋莫爾條紋 - 圓弧形、圓弧形、 環(huán)形、輻射形環(huán)形、輻射形 切向光柵的環(huán)形莫爾條紋切向光柵的環(huán)形莫爾條紋兩塊切向光柵兩塊切向光柵 -柵距角相同柵距角相同/ /切線圓半切線圓半徑不同徑不同/ /同心疊合同心疊合環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋 - 以光柵中心為圓心的同心圓簇以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度條紋寬度 - 隨條紋位置變化隨條紋位置變化

6、應(yīng)用：高精度角度測(cè)量和分度應(yīng)用：高精度角度測(cè)量和分度- 全光柵平均效應(yīng)全光柵平均效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 環(huán)形環(huán)形光柵的輻射形莫爾條紋光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環(huán)形光柵兩塊環(huán)形光柵（相同）（相同）- 柵線相對(duì)柵線相對(duì)/ /不大的偏心量不大的偏心量輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋 - 條紋近似直線條紋近似直線/呈輻射狀呈輻射狀特點(diǎn)：條紋數(shù)目特點(diǎn)：條紋數(shù)目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圓心連線方向圓心連線方向光柵旋轉(zhuǎn)光柵旋轉(zhuǎn) - 條紋數(shù)目條紋數(shù)目/位置（不變）位置（不變）偏心量（一個(gè)柵距）偏心量（一個(gè)柵距）- 莫爾條紋數(shù)目莫爾條紋數(shù)目增加一條（一個(gè)象限內(nèi)）增加一條（一個(gè)象限內(nèi)）應(yīng)用：主軸偏移、晃動(dòng)應(yīng)用

7、：主軸偏移、晃動(dòng)(4) 光柵傳感器特點(diǎn)光柵傳感器特點(diǎn) 精度高：測(cè)長(zhǎng)精度高：測(cè)長(zhǎng)(0.2+210-6L)m，測(cè)角，測(cè)角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長(zhǎng)（米），反射式光柵尺長(zhǎng)（米），反射式-幾十米幾十米響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 斷電斷電數(shù)據(jù)消失數(shù)據(jù)消失要求高：對(duì)環(huán)境要求高要求高：對(duì)環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度成本高：電路復(fù)雜成本高：電路復(fù)雜 二、激光干涉測(cè)量系統(tǒng)二、激光干涉測(cè)量系統(tǒng)單頻激光干涉系統(tǒng)單頻激光干涉系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)- 信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，大位

8、移測(cè)量（信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，大位移測(cè)量（200m以上）以上）雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)三、激光測(cè)距系統(tǒng)三、激光測(cè)距系統(tǒng)2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范圍遠(yuǎn)距離測(cè)距（幾千大范圍遠(yuǎn)距離測(cè)距（幾千/幾十千米）幾十千米）1）脈沖測(cè)距法）脈沖測(cè)距法2）相位差測(cè)距法）相位差測(cè)距法激光短脈沖信號(hào)（激光器激光短脈沖信號(hào)（激光器 被測(cè)目標(biāo)）被測(cè)目標(biāo)）測(cè)量精度：時(shí)間間隔測(cè)量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）測(cè)量精度：時(shí)間間隔測(cè)量精度（脈沖窄、響應(yīng)速度快）遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離 - 固體固體/二氧化碳；近距離二氧化碳；近距離 - 半導(dǎo)體半導(dǎo)體巨脈沖激光器巨脈沖激光器 - 地球地球月球距離（分辨力：月球

9、距離（分辨力：1m）激光束調(diào)制激光束調(diào)制 - 相位差相位差 - 時(shí)間時(shí)間 - 距離距離距離距離特點(diǎn)：測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng)特點(diǎn)：測(cè)量精度高、分辨力強(qiáng)0042fccD原理：原理： y = f ( x) x yKeyence 激光測(cè)距傳感器激光測(cè)距傳感器激光測(cè)距產(chǎn)品特點(diǎn)：特點(diǎn)： 非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離大、非接觸、不易劃傷表面、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離大、 抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝?、測(cè)量準(zhǔn)確度高抗干擾、測(cè)量點(diǎn)?。◣资⒚祝?、測(cè)量準(zhǔn)確度高精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直精度：光學(xué)元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強(qiáng)和直徑大小以及被測(cè)物體的表面特征徑大小以及被測(cè)物體的表面特征應(yīng)用：應(yīng)用：厚度測(cè)量：厚度測(cè)量：(a) 參考表面：兩傳感器同向參考表面：兩傳感器同向 - 減小偏心誤差減小偏心誤差(b) 相對(duì)測(cè)量：兩傳感器反向，無參考表面相對(duì)測(cè)量：兩傳感器反向，無參考表面 - 克服鋼板本身克服鋼板本身上下起伏造成的誤差上下起伏造成的誤差測(cè)量范圍：測(cè)量