【正文】 處理自動(dòng)化 ? 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 光柵式傳感器應(yīng)用： 幾何量 、振動(dòng)、速度、應(yīng)力、應(yīng)變 光柵式傳感器 計(jì)量光柵： 利用莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測量的光柵。 種類： ?按基體材料的不同主要可分為 金屬光柵 和 玻璃光柵 ； ?按刻線的形式不同可分為 振幅光柵 和 相位光柵 ； ?按光線的走向又可分為 透射光柵 和 反射光柵 ； ?按其用途可分為 長光柵 和 圓光柵 兩類。 計(jì)量光柵的種類 測量對象： 長度、直線位移； 特點(diǎn)： 刻線相互平行，又稱光柵尺。 柵線密度： 每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)，表示長光柵柵線的疏密程度。例如柵線間距 W=，柵線密度為 50線 /mm。 a bW 透射長光柵示意圖 a—— 柵線的寬度（不透光） b—— 柵線間寬（透光） a+b=W—— 光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)），通常 a=b=W/2 (一 ) 長光柵 長光柵有 振幅光柵 和 相位光柵 兩種形式。 ? 振幅光柵 是對入射光波的振幅進(jìn)行調(diào)制，也叫 黑白光柵 ，它又可分為 透射光柵 和 反射光柵 兩種。在 玻璃的表面 上制作透明與不透明間隔相等的線紋，可制成透射光柵；在 金屬的鏡面上或玻璃鍍膜 （如鋁膜）上制成全反射或漫反射相間，二者間還有吸收的線紋，可制成反射光柵。柵線密度 20~125線 /mm。 ? 相位光柵 （閃耀光柵）是對入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，它也有透射光柵和反射光柵兩種形式。柵線密度 600線 /mm以上。 閃耀光柵刻線斷面 (一 ) 長光柵 定義： 刻劃在 玻璃圓盤 上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤。 測量對象： 角度或角位移。 主要參數(shù)： 整圓刻線數(shù)；柵距角（也稱節(jié)距角） d，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線之間的夾角。 種類： ?徑向光柵 ，其柵線延長線全部通過光柵盤的圓心 ； ?切向光柵 ，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)幾到幾個(gè)毫米的小圓相切 。 (二 ) 圓光柵 (一 ) 形成的光學(xué)原理 莫爾條紋 通常是由兩塊光柵疊加形成的，為了避免摩擦，光柵之間留有 間隙 ，對于柵距較大的振幅光柵，可以 忽略光的衍射 。圖 為兩光柵以很近的距離重疊的情況。 W1—— 標(biāo)尺光柵 1的光柵常數(shù)； W2—— 指示光柵 2的光柵常數(shù)； θ—— 兩光柵柵線的夾角。 莫爾條紋 在 aa線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透過透光部分形成 亮帶 ；在 bb線上，兩光柵透光部分分別另一光柵的不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不過形成 暗帶 ，這種由光柵重疊形成的明案相間的光學(xué)圖案稱為 莫爾條紋 。 長光柵莫爾條紋的寬度為 (一 ) 形成的光學(xué)原理 前提： 柵距很小的光柵 (W＜ )，或相位光柵。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 分析： 1. 光柵 G1產(chǎn)生了 0,177。 1,177。 2, …… 等 n級衍射光，光柵G1的衍射光束到達(dá)光柵 G2時(shí)將進(jìn)一步被衍射， G1的 n級衍射光，其中每一級的衍射光束對光柵 G2來說都是一組入射光束，并由光柵 G2又衍射成 n級衍射光（因?yàn)閮晒鈻诺?W相同，又是單色光），所以從光柵副出射的衍射光束的數(shù)目為 n2個(gè)。 2. 每支衍射光束都用它在兩個(gè)光柵上衍射的級次序號來表示，例如經(jīng)光柵 G1衍射的 0級光束，經(jīng)過光柵G2后衍射成 0級、 177。 1級、 … 等衍射光束就用 (0,0)、(0,1)、 (0,1)、 …… 表示。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 3. 由光柵 G1產(chǎn)生的第 p級衍射光又經(jīng)光柵 G2產(chǎn)生的第 q級衍射光束就可以用 (p, q)表示。 p+q相等的光束，用其 p+q值來稱作該組光束為 某級組 ，如 0級組， 1級組， 1級組， …… 。 4. 理論推導(dǎo)可以證明，每一級組中的光束是相互平行的，即 光束方向相同 。每一級組中的 諸光束相互干涉 ，就形成了莫爾條紋。 其中， p+q=1和p+q=1級組光束強(qiáng)度變化幅度最大 ，它們形成莫爾條紋的 基波條紋 。其它各光束級組形成莫爾條紋的 高次諧波 。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 ?莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與兩光柵的相對位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。 (二 ) 莫爾條紋的特性 ?當(dāng)主光柵 1向右運(yùn)動(dòng)一個(gè) 柵距 W1時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè) 條紋間距 B；如果主光柵 1向左運(yùn)動(dòng)，莫爾條紋則向上移動(dòng)。 ?光柵傳感器在測量時(shí)，可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向判定光柵的位移量和位移的方向。 運(yùn)動(dòng)對應(yīng)關(guān)系 由于兩光柵的 夾角 q很小，若它們的光柵常數(shù)相等，設(shè)為 W，可得到如下近似關(guān)系 可見莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù) 為 1/q 。 例如： W=， q=176。 ，則 B=，放大倍數(shù)約為 573倍。 所以盡管柵距很小，難以觀察，但莫爾條紋卻清晰可見。有利于布置接收莫爾條紋信號的光電器件。 位移放大作用 莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的， 對光柵的刻劃誤差有平均作用 ，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響，個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測量精度。 誤差平均效應(yīng) （ 1）橫向莫爾條紋 當(dāng)兩光柵柵距相等 W1＝ W2=W時(shí)，以 夾角 q相交 形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。 （ 2）光閘莫爾條紋 當(dāng) W1=W2=W， 且 q=0時(shí) ，莫爾條紋的寬度趨于無窮大，兩光柵相對移動(dòng)時(shí)，對入射光就像閘門一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱為光閘莫爾條紋。 (三 ) 莫爾條紋的種類 長光柵的莫爾條紋 ? 光閘莫爾條紋 （ 1）徑向光柵莫爾條紋 在幾何量測量中，徑向光柵主要使用兩種莫爾條紋： 圓弧形莫爾條紋和光閘莫爾條紋 。 ?圓弧形莫爾條紋 兩塊柵距角 d相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，如圖所示。在光柵的各部分柵線的交角 q不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。 圓光柵的莫爾條紋 橫向 縱向 斜向 圓弧形莫爾條紋 主要特點(diǎn)： ① 莫爾條紋是 對稱的兩簇圓形條紋 ，它們的 圓心排列在兩光柵中心連線的垂直平分線上 。 ② 莫爾條紋的 寬度不是定值 ，它隨條紋位置的不同而不同。 ③ 位于偏心方向垂直位置上的條紋近似垂直于柵線，稱這部分為 橫向莫爾條紋 。沿著偏心方向的條紋近似平行于柵線，成為 縱向莫爾條紋 。在實(shí)際使用中，主要應(yīng)用橫向莫爾條紋這部分。 圓光柵的莫爾條紋 ?光閘莫爾條紋 將柵距角 d相同的兩塊圓光柵同心疊合時(shí)，得到與長光柵中相類似的光閘莫爾條紋。主光柵轉(zhuǎn)過一個(gè)柵距角 d ，透光亮度變化一個(gè)周期。 圓光柵的莫爾條紋 （ 2）切向光柵的莫爾條紋 兩塊切向相同、柵距角 δ相同的切向光柵柵線 面相對同心疊合時(shí) ，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為 環(huán)形莫爾條紋 。 環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點(diǎn)是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測量和圓光柵分度誤差的檢驗(yàn)。 圓光柵的莫爾條紋 ?基本組成： 光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件。 ?常見形式： 透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。 1光源 2準(zhǔn)直透鏡 3標(biāo)尺光柵（主光柵） 4指示光柵 5光電元件 光柵式傳感器 B ?類型： 透射式長光柵傳感器、透射式圓光柵傳感器 。 ?光源： 發(fā)光二極管（有的本身集成透鏡、有的需要外加透鏡）、白熾燈。 ?指示光柵特點(diǎn) ：裂相光柵，一般由四部分組成，每一部分的刻線間距與對應(yīng)的標(biāo)尺光柵完全相同，但各個(gè)部分之間在空間上依次錯(cuò)開 nW+W/4 。 (一 ) 透射式光柵傳感器 透射式長光柵 (一 ) 透射式光柵傳感器 透射式圓光柵 (一 ) 透射式光柵傳感器 U0— 電信號的直流電平，對應(yīng)于莫爾條紋的平均光強(qiáng)； Um— 電信號的幅值，對應(yīng)于莫爾條紋明暗的最大變化。 ?輸出信號： 信號處理方式： 首先將 u u3和 u u4分別兩兩相減，消除信號中的直流電平，得到兩路相位差為 90176。 的信號，然后將它們送入專門的 電子細(xì)分 和 辨向電路 ，可以實(shí)現(xiàn)對位移的測量。 (一 ) 透射式光柵傳感器 反射式長光柵傳感器 發(fā)光二極管經(jīng)聚光透鏡形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光柵， 莫爾條紋是由標(biāo)尺光柵的反射光與指示光柵作用形成 ，光電器件接收莫爾條紋的光強(qiáng)。 1－反射主光柵 2－指示光柵 3－場鏡 4－反射鏡 5－聚光鏡 6－光源 7－物鏡 8－光電元件 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射式長光柵傳感器 (二 ) 反射式光柵傳感器 反射分光式光柵傳感器 ?組成：光源 準(zhǔn)直透鏡 分光棱鏡 閃耀光柵 4（等腰三角形）； ?光柵工作在 自準(zhǔn)狀態(tài) ，光束垂直投射線槽面，最大強(qiáng)度衍射光沿原路反射回 3。 A、 B兩處返回的兩路衍射光經(jīng) 3投向透鏡 5，二者相干，相遇干涉，干涉條紋由光電器件 6接收。 ?柵線刻劃面與光柵平面夾角 ?，控制 ?可以使要求的光譜級次 m發(fā)生在最大光強(qiáng)方向，產(chǎn)生主閃耀條件： (二 ) 反射式光柵傳感器 ?B A B ΔW B1 (二 ) 反射式光柵傳感器 (二 ) 反射式光柵傳感器 m— 具有最大光強(qiáng)的光譜級次； 工作時(shí)，光柵 4沿 x方向移動(dòng) ?W，入射光 EB光程變化 2BB1 相應(yīng)的相位變化 另一光束射到處的光線相位變化 ?? 222 WWm ?? ＝?? s in2 Wm ??s in22 1 WBB ?＝??????? 2s i n2222 111 W WmWBB ????? ＝＝＝(二 ) 反射式光柵傳感器 光柵移動(dòng) ?W，兩束相干光相位差變化 若要求光譜級次 m1=m2=2有最大光強(qiáng) 結(jié)論：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，相干光束相位變化 4*2?，干涉條紋變化 4個(gè)周期。故光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分作用。 ? ? ?? 221 WWmm ?? ＋＝WW??? ?? 24＝激光式傳感器組成： 激光器、光學(xué)零件和光電器件。 激光式傳感器 激光干涉?zhèn)鞲衅? 特點(diǎn)： ?測量精度高，可達(dá) 107~108量級； ?分辨力高，可測出 104nm以下的長度變化； ?量程大，可達(dá)幾十米； ?便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量。 工作原理： 光的干涉原理 典型應(yīng)用： 邁克爾遜雙光束干涉系統(tǒng) 激光干涉?zhèn)鞲衅? 反射鏡 M2移動(dòng)半個(gè)光波波長，干涉條紋明暗變化一次，測量位移 x計(jì)算公式如下： 目。－干涉條紋明暗變化數(shù)－真空光波波長；－空氣折射率；NnnNx002??? 激光干涉?zhèn)鞲衅? 干涉條紋由光電器件接收，電路處理由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，測得位移 x，不足之處是輸出只有一路信號，無法辨別方向。 (一 ) 單頻激光干涉儀 5－ 1/4波片 2－偏振分光鏡 4－角錐棱鏡 6－分光鏡 7－反射鏡 9－偏振片 11－光電器件 ?絕對距離傳感器，利用激光的方向性好的特點(diǎn)。 ?三角法測頭原理圖 激光測微測頭 ?測量原理：利用幾何三角關(guān)系測位移。激光聚焦成小光斑，成像于光電探測器，投影光軸與成像光軸夾角θ，被測位移 x近似計(jì)算如下： 。就可以測出位移）測得像點(diǎn)偏移用位置敏感器件（器距離。－成像物鏡到光電探測離；－被測點(diǎn)到成像物鏡距xP S Dddddxdqd1010si n? 激光測微測頭 ?基本工作原理：氦氖激光器發(fā)出激光細(xì)束經(jīng)掃描裝置恒速對直徑 D的被測物體掃描，光電器件接收后轉(zhuǎn)換成如圖所示電脈沖，測出 ?t即可求得直徑 D。 D=v?t 激光掃描傳感器 激光掃描傳感器 組成如下圖。 物體輪廓的光強(qiáng)分布因激光衍射影響形成緩慢過渡區(qū)，不能準(zhǔn)確形成邊緣脈沖。為此要對電信號適當(dāng)處理，處理方法： ?取最大輸出的半功率點(diǎn)（ I0/2）作為邊緣信號，但受激光光強(qiáng)波動(dòng)、放大器漂移影響不易獲得高精度； ?對電信號通過電路二次微分，取二次微分的過零點(diǎn)作為輪廓的邊緣位置，測量精度較高。如直徑， 1mm的分辨力和 177。 3 mm的測量精度。 ? 激光掃描測徑儀 ? 激光掃描測徑儀 ? 激光掃描測徑儀