光栅和激光位移测量技术
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： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长 计量光栅： 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： 利用光的衍射现象分析光谱、测定波长 计量光栅： 利用光的莫尔条纹现象测量精密位移
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 )
特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹 (1) 莫尔条纹（Moire） 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 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
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 → B>>W → 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
(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
莫尔条纹 --- 圆弧形、 环形、辐射形 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 --- 横向莫尔条纹 实际应用 --- 条纹近似垂直于栅线 偏心方向上 --- 纵向莫尔条纹 --- 条纹近似平行于栅线 其他位置 --- 斜向莫尔条纹 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）
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 优点： --- 全光栅平均效应 应用：高精度角度测量和分度 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 偏心量（一个栅距）--- 莫尔条纹数目增加一条（一个象限内） 光栅旋转 --- 条纹数目/位置（不变） 应用：主轴偏移、晃动
(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
二、激光干涉测量系统 单频激光干涉系统
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）
双频激光干涉测量系统
三、激光测距系统 --- 大范围远距离测距（几千/几十千米） 1）脉冲测距法 激光短脉冲信号（激光器 被测目标） 距离 激光短脉冲信号（激光器 被测目标） 距离 测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快） 远距离 --- 固体/二氧化碳；近距离 --- 半导体 巨脉冲激光器 --- 地球—月球距离（分辨力：1m） 2）相位差测距法 激光束调制 --- 相位差 --- 时间 --- 距离 特点：测量精度高、分辨力强 3）激光三角法
原理： y = f (x) x y
激光测距产品 Keyence 激光测距传感器
特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高 精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征
应用：
厚度测量： (a) 参考表面：两传感器同向 --- 减小偏心误差 (b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面 --- 克服钢板本身上下起伏造成的误差
测量范围：16mm左右；相对测量精度：0.1% ~ 0.2% 适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感 不能测量镜面 --- 漫反射原理