發布日期：2022-10-09 點擊率：222
光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件。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。
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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。
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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。
光柵傳感器的結構及工作原理
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。
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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。
光柵傳感器的特點
1、精度高。
光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉傳感器。在圓分度和角位移連續測量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的；
2、大量程測量兼有高分辨力。
感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器；
3、可實現動態測量，易于實現測量及數據處理的自動化；
4、具有較強的抗干擾能力，對環境條件的要求不像激光干涉傳感器那樣嚴格，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環境較好的車間使用。
光柵傳感器的種類
光柵主要分兩大類：一是Bragg光柵（也稱為反射或短周期光柵）；二是透射光柵（也稱為長周期光柵）。
光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵（Chirp光柵）。
光纖Bragg光柵傳感器
光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位，光纖光柵的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化。而在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。
當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續往前傳輸，利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。
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