《光栅与光电传感器》PPT课件.ppt

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1、9 光栅测量技术,9.1 光的干涉与衍射9.2 衍射光栅工作原理9.3 光栅传感器9.4 光栅的使用,9.1.1 光的干涉双缝,明条纹条件：,暗条纹条件：,合成振幅：,9.1.1 光的干涉多缝,设n个简谐振动的振幅相等，均为a，它们的相位依次相差一个个恒量，它们的表达式分别为,合矢量A为：,合矢量振幅为：,当=2k/n时,当=2k时，A取得极大值,9.1.1 光的干涉多缝,增加相干光的数目，主最大变得很锐利，同时次最大的数目增多，当N很大时，数目众多的次最大混成一片，使主最大在光强微弱的背景上形成非常细的量条纹,9.1.2 单缝衍射,1 光的衍射现象(1)从点光源S发出的光波，在传播过程中遇到

2、遮光屏M时，按照几何光学的观点，光在均匀的介质中沿直线传播，在M之后的屏幕E上将形成清晰的几何影区。(2)然而光在前进中遇到障碍物如圆孔、圆盘、单缝、细丝时，当障碍物的孔尺寸足够小时，在屏幕的几何影中心会出现一个亮点。并几何影区内，并在几何影边缘出现明暗相间的光强分布,9.1.2 单缝衍射,2 惠更斯-菲涅尔原理(1)在波传播的任意时刻，波阵面上的每一点，都可以看作为发射球面次级的波源，在随后的某一时刻，这些次波波面的包迹面，就是该时刻的波阵面，波阵面的法线方向出示了波的传播方向。(2)光波在P 0点的振幅与面元dS的大小成正比；与面元dS到P 0点的距离r成反比，还与倾斜因子K()有关。面元

3、dS的外法线0N与矢径O P 0之间的夹角值越大，K()值就愈小，当0时，K()l(3)dS在P 0点的振动为：,9.1.2 单缝衍射,3 夫琅和费单缝衍射光源置于透镜的焦点，光源的像在-。衍射光阑(衍射屏)是一个透光的狭缝，入射的平行光经狭缝衍射后，再通过另一个透镜，把+的衍射花样成像在焦平面上，观察屏放在此焦平面上观察。前后两个透镜保证了远场衍射条件。P点是倾角为的射线的投影,在远场衍射中为常量,9.1 单缝衍射-夫琅和费单缝衍射,与各平行光线垂直的AD上各点到P点的光程都相等，设为r0，那么缝上各点到P点的光程便是：,9.1 单缝衍射-夫琅和费单缝衍射,9.1 单缝衍射-夫琅和费单缝衍射

4、,9.2 衍射光栅,衍射光栅是光谱分析中用得最多的色散器件，它由N个等距的缝构成。每个缝都要产生单缝衍射，平行光入射到光栅上，产生N束单缝衍射光，这N束光的干涉，使入射光中不同的波长成份，形成极细锐的谱线，出现在光栅后面的会聚透镜焦平面上。根据谱线的分布、强弱我们便知道发光体由什么物质构成、各种元素的含量等等。早期的光栅就是一种多缝装置，入射的平面波透过交替的透明和不透明的线条，在其后产生N束光的干涉。因为透明和不透明的线条是对入射波振幅进行调制，故叫振幅光栅。这种光栅的光能利用大约只有一半，有一半被不透明的部分挡住，现在已很少采用。在实验室里用照像方法在照像干版上很容易得到一系列平直的黑白条

5、纹，经显影定影后就是一个振幅光栅。如把干版放在漂白酒里漂白，在干版表面的乳胶形成浮雕形的凹凸条纹，整个干版是透明的，但干版的光学厚度有周期性的变化透射光产生周期性的相位调制，这是透射相依光栅它的光能利用近于100，这种制备法称光刻法。,9.2 衍射光栅,设有一反射光栅刻槽间距是a，平行光入射角是i。衍射光栅首先可考虑成N束等振幅、依次相位差为的光的干涉，根据前面的多缝干涉原理可得到相应的结果。其次对每束光，实际上均为宽约a的狭带的衍射光，可按单缝衍射处理,相邻两束光的相位差为,9.2 衍射光栅,光强锐细的极大值出现在分母sin(/2)0处，即：a(sini-m)m m0，1，2，上式通常叫光栅

6、公式。m叫光栅光谱的级，即干涉级其意义为相邻两束光的光程差是波长的多少倍。,9.3 光栅传感器,光栅传感器是利用计量光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，它广泛地用于长度和角度的精密测量，也可用来测量能转换成长度或角度的其它物理量。光栅传感器是由主光栅(随同被测物体起动)、指示光栅和光路系统所组成。,制造光栅的材料可以是光学玻璃、不锈钢等，其上均匀地刻划有宽度与间距相等的线条。通常将刻线宽度a与刻线间的缝隙宽度b之和w(a十b)称为光栅的栅距或光栅常数。一般ab。刻线密度一殷为每毫米10、25、50和l00条线，有的可达2400线mm。主光栅和指示光栅具有相同的刻线密度。,9.3 光栅传感器原理,假

7、设两块透射光栅的栅线相互平行，如果使主光栅相对于指示光栅运动，其运动方向垂直于栅线，则当两光栅的栅线互相重合时，光线经两极线间的缝隙透过形成亮带；当两块光珊的栅线错开时，光被挡住，形成暗带。所以每相对移动一个光栅极距，就产生一次亮暗亮的变化。如果将两个光栅的栅线相互错开成夹角，例如主光栅刻线与水平方向垂直，指示光栅刻线与垂直方向成角。这时，指示光栅上的一条透光缝隙就合同时与几条主光栅上的选光缝隙相交，在相交处透光，不相交处则不道光。因此在与主光栅栅线垂直的方向上，形成亮暗交替的条绞，这种亮暗条纹称为莫尔条纹。,相邻两莫尔条纹之间的问距B为：,当角很小时(一般角都很小)，有B=W/,如果指示光栅

8、不动，主光栅左右移动，莫尔条纹就上下移动。主光栅左右移动一个间距W时，莫尔条纹也正好移动一个条纹间距B。可在一个条纹间距内安放多只固定的光敏元件，使莫尔条纹每移动一个间距，能获得若干个计数脉冲输出，此即为所谓的直接细分或位置细分。,9.3 光栅传感器莫尔条纹,莫尔条纹的主要特性如下：(1)平均效应 因莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同产生，所以对光栅刻线误差有一定的平均作用，这有利于消除短周期误差的影响。(2)放大作用 两块光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条纹也移过一个条纹间距B，但因B比w大得多，所以莫尔条纹具有放大作甩。(3)对应关系 当两块光栅在刻线垂直方向产生相对移动时，莫尔条纹也要按对应关

9、系产生相应的移动，其移动距离的大小与方向都具有严格的对应关系，即两种位移信号之间为线性比例放大关系。,9.3 光栅传感器辨向原理,用于检测莫尔条纹信号的光敏元件(如光电池)，其输出电压可视为光强变化的函数。当光栅移动时，光敏元件的输出电压波形近似正弦波。,在测量电路中，要用隔直电容阻断直流分量U，使有用信号为交流分员u0,为了判别主光栅是左移或右移，需要有两个彼此相位相差/2的莫尔条纹信号。为此，在条纹移动的方向上安放两只光电池。两只光电他的垂直距离等于B4或n+1/4B。这样，两只光电池的输出信号的相位差正好等/2,9.3 光栅传感器辨向原理,9.3 光栅传感器细分技术,(1)直接细分（2）幅值细分（3）鉴相细分（4）锁相细分,9.3 光栅传感器类型与应用,9.4 光栅的使用接口信号形式,电平驱动电流驱动差分驱动矩形波方式正弦波方式,9.4 光栅的使用接口信号形式,电平驱动电流驱动差分驱动矩形波方式正弦波方式,9.4 光栅的使用PCL833,最大1.0 MHz 的正交输入频率 三个 24-bit的计数器(可串联成 48 bits)光隔达 2500 VRMS 4级数字滤波 最大2.4 MHz输入脉冲频率脉冲/方向和正向/反向计数方式 每轴提供带中断的数字输入 可编程的时间间隔中断半长的 AT总线卡,9.5 其它光电传感器,1 激光扫描测长与图像检测2 线阵CCD3 光电开关,