关于光栅和激光位移测量第1页，共23页，星期日，2025年，2月5日一、光栅式传感器---等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移第2页，共23页，星期日，2025年，2月5日长光栅---直线位移；圆光栅---角位移构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)第3页，共23页，星期日，2025年，2月5日(1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2特例：当?=0,w1=w2→B=?→光闸莫尔条纹当?=0,w1≠w2→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动第4页，共23页，星期日，2025年，2月5日莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角θ很小→BW→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光第5页，共23页，星期日，2025年，2月5日(3)圆光栅传感器光栅---径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅切向圆光栅第6页，共23页，星期日，2025年，2月5日第7页，共23页，星期日，2025年，2月5日①径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅---栅距角相同/不大偏心量光栅不同区域，栅线交角不同---圆弧形莫尔条纹（不同曲率半径）条纹宽度---随位置变化偏心垂直位置上---条纹近似垂直于栅线偏心方向上---条纹近似平行于栅线---横向莫尔条纹---纵向莫尔条纹其他位置---斜向莫尔条纹实际应用特例---光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）---透光量（一个周期）莫尔条纹---圆弧形、环形、辐射形第8页，共23页，星期日，2025年，2月5日②切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅---栅距角相同/切线圆半径不同/同心叠合环形莫尔条纹---以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度---随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度---全光栅平均效应优点：③环形光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅（相同）---栅线相对/不大的偏心量辐射形莫尔条纹---条纹近似直线/呈辐射状特点：条纹数目/位置---偏心量大小/圆心连线方向光栅旋转---条纹数目/位置（不变）偏心量（一个栅距）---莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动第9页，共23页，星期日，2025年，2月5日第10页，共23页，星期日，2025年，2月5日(4)光栅传感器特点①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂第11页，共23页，星期日，2025年，2月5日二、激光干涉测量系统单频激光干涉系统第12页，共23页，星期日，2025年，2月5日双频激光干涉系统---信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）第13页，共23页，星期日，2025年，2月5日双频激光干涉测量系统第14页，共23页，星期日，2025年，2月5日三、激光测距系统3）激光三角法---大范围远距离测距（几千/几十千米）1）脉冲测距法2）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器