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光学传感

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详细解析光栅传感器的结构及工作原理

导读: 光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕为不透光部分,两刻痕之间的光滑部分可以透光,相当于一狭缝。精制的光栅,在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕为不透光部分,两刻痕之间的光滑部分可以透光,相当于一狭缝。精制的光栅,在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。

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这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅,还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅,如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕,两刻痕间的光滑金属面可以反射光,这种光栅成为反射光栅。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应,因而能提高测量精度。

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光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时,便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。

这些条纹以光栅的相对运动速度移动,并直接照射到光电元件上,在它们的输出端得到一串电脉冲,通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出,直接显示被测的位移量。

光栅传感器的结构及工作原理

光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个主要部分构成。

1、光源:钨丝灯泡,它有较小的功率,与光电元件组合使用时,转换效率低,使用寿命短。半导体发光器件,如砷化镓发光二极管,可以在 范围内工作,所发光的峰值波长为 ,与硅光敏三极管的峰值波长接近,因此,有很高的转换效率,也有较快的响应速度。

2、光栅付:由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。主光栅和指示光栅相互重叠,但又不完全重合。两者栅线间会错开一个很小的夹角 ,以便于得到莫尔条纹。一般主光栅是活动的,它可以单独地移动,也可以随被测物体而移动,其长度取决于测量范围。指示光栅相对于光电器件而固定。

3、通光孔:通光孔是发光体与受光体的通路,一般为条形状,其长度由受光体的排列长度决定,宽度由受光体的大小决定。它是帖在指示光栅板上的。

4、受光元件:受光元件是用来感知主光栅在移动时产生莫尔条纹的移动,从而测量位移量。在选择光敏元件时,要考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性、体积等因素。

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将主光栅与标尺光栅重叠放置,两者之间保持很小的间隙,并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ,如图所示。

当有光源照射时,由于挡光效应(对刻线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射作用(对刻线密度≥100条/mm的光栅),与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。

在两光栅的刻线重合处,光从缝隙透过,形成亮带;在两光栅刻线的错开的地方,形成暗带;这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

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莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ(单位为rad)之间的关系为

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(K称为放大倍数)。

当指示光栅不动,主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ,而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时,莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动;光栅反向移动,莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W,莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动,就能测量光栅移动的大小和方向,这要比直接对光栅进行测量容易得多。

当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时,由上述公式可知,W一定时,θ愈小,则B愈大,相当于把栅距W放大了1/ θ倍。因此,莫尔条纹的放大倍数相当大,可以实现高灵敏度的位移测量。

莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的,对刻线误差具有平均效应,能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响,可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此,计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。

光栅传感器的特点

1、精度高。

光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面,光栅式传感器属于精度最高的;

2、大量程测量兼有高分辨力。

感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点,但分辨力和精度都不如光栅式传感器;

3、可实现动态测量,易于实现测量及数据处理的自动化;

4、具有较强的抗干扰能力,对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格,但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强,油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

光栅传感器的种类

光栅主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构,从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅,色散补偿型光栅是非周期光栅,又称为啁啾光栅(Chirp光栅)。

光纤Bragg光栅传感器

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光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位,光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时,满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射,其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输,利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

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