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光柵傳感器的結構

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一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕為不透光部分,兩刻痕之間的光滑部分可以透光,相當于一狹縫。精制的光柵,在1cm寬度內刻有幾千條乃至上萬條刻痕。這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵,還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵,如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕,兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光,這種光柵成為反射光柵。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應,因而能提高測量精度。光柵傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時,便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動,并直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈沖,通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出,直接顯示被測的位移量。

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光柵傳感器的結構均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個主要部分構成。

1、光源:鎢絲燈泡,它有較小的功率,與光電元件組合使用時,轉換效率低,使用壽命短。半導體發光器件,如砷化鎵發光二極管,可以在 范圍內工作,所發光的峰值波長為 ,與硅光敏三極管的峰值波長接近,因此,有很高的轉換效率,也有較快的響應速度。

2、光柵付:由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊,但又不完全重合。兩者柵線間會錯開一個很小的夾角 ,以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動的,它可以單獨地移動,也可以隨被測物體而移動,其長度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

3、通光孔:通光孔是發光體與受光體的通路,一般為條形狀,其長度由受光體的排列長度決定,寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。

  4、受光元件:受光元件是用來感知主光柵在移動時產生莫爾條紋的移動,從而測量位移量。在選擇光敏元件時,要考慮靈敏度、響應時間、光譜特性、穩定性、體積等因素。將主光柵與標尺光柵重疊放置,兩者之間保持很小的間隙,并使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ,如圖所示。當有光源照射時,由于擋光效應(對刻線密度≤50條/mm的光柵)或光的衍射作用(對刻線密度≥100條/mm的光柵),與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。在兩光柵的刻線重合處,光從縫隙透過,形成亮帶;在兩光柵刻線的錯開的地方,形成暗帶;這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ(單位為rad)之間的關系為(K稱為放大倍數)。當指示光柵不動,主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ,而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時,莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動;光柵反向移動,莫爾條紋也反向移動。主光柵每移動一個柵距W,莫爾條紋也相應移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動,就能測量光柵移動的大小和方向,這要比直接對光柵進行測量容易得多。當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時,莫爾條紋移動一個條紋間距。當兩個光柵刻線夾角θ較小時,由上述公式可知,W一定時,θ愈小,則B愈大,相當于把柵距W放大了1/ θ倍。因此,莫爾條紋的放大倍數相當大,可以實現高靈敏度的位移測量。莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的,對刻線誤差具有平均效應,能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響,可以達到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此,計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。

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