光栅传感器是一种基于光栅原理测量位移或物理量的光电传感器,在工业自动化、航空航天、土木工程等领域应用广泛。是利用光栅叠栅条纹原理或光纤光栅特性进行测量。其核心部件包括标尺光栅、指示光栅(透射式)或光纤芯折射率周期性结构(光纤式)。通过莫尔条纹的光学放大效应或Bragg波长变化,光栅传感器能够实现高精度测量。例如,透射式光栅由标尺光栅、指示光栅、光路系统组成,测量范围可达数米;光纤光栅则包含纤芯周期性结构,配合宽带光源与波长解调仪,支持多参数同步测量。
1、光栅尺
主尺:是光栅传感器的关键部件之一,上面刻有均匀分布的光栅条纹,这些条纹可以是透光和不透光的交替线条,或者是反射和不反射的交替区域。光栅条纹的密度和精度决定了光栅尺的测量精度,常见的光栅条纹密度有每毫米20线、50线、100线等。
指示尺:与主尺配合使用,通常安装在读数头内或与读数头相连。指示尺上也刻有光栅条纹,其作用是与主尺上的光栅条纹相互配合,产生莫尔条纹或其他光学信号,以便进行位移测量。
2、读数头
光电转换器件:一般采用光电二极管、光电三极管或CCD(电荷耦合器件)等光电元件,用于将光栅尺上形成的光学信号转换为电信号。当光线通过光栅条纹照射到光电转换器件上时,根据光线的强弱变化,会产生相应的电流或电压信号。
光源:为光栅传感器提供照明,常用的光源有LED(发光二极管)、红外发光二极管等。光源发出的光线经过光栅尺后,形成特定的光学图案,被光电转换器件接收。
光学系统:包括透镜、反光镜等光学元件,用于对光线进行聚焦、准直和反射等处理,确保光线能够准确地照射到光栅尺上,并使光电转换器件能够清晰地接收到光学信号。
3、信号处理电路
放大电路:由于光电转换器件输出的电信号通常比较微弱,需要经过放大电路进行放大,以提高信号的强度和稳定性,便于后续的处理和分析。
整形电路:将放大后的电信号进行整形,去除信号中的毛刺和噪声,使其变成规则的矩形波或其他适合计数和处理的信号形式。
计数电路:对整形后的信号进行计数,根据计数结果计算出被测物体的位移量。计数电路通常采用计数器芯片或微处理器来实现,可以记录光栅条纹移动的个数,从而得到相应的位移信息。
细分电路:为了提高光栅传感器的测量精度,常常采用细分技术。细分电路可以将一个光栅条纹的位移分成多个等分,通过对细分后的信号进行处理和计数,能够实现更高的分辨率和测量精度。
4、外壳与防护装置
外壳:用于保护光栅传感器的内部结构和光学部件,通常采用金属或工程塑料等材料制成,具有一定的强度和刚性,能够抵御外界的机械冲击和振动。
防护罩:在一些恶劣的工作环境中,为了防止灰尘、油污、水汽等污染物进入光栅传感器内部,影响其性能和寿命,会安装防护罩。防护罩可以覆盖在光栅尺和读数头上,起到密封和防护的作用。
5、连接电缆与接口
连接电缆:用于将光栅传感器的各个部分连接起来,传输电源信号、光信号和电信号等。连接电缆通常采用屏蔽电缆,以防止外界电磁干扰对信号传输的影响。
接口:光栅传感器需要与外部设备进行连接,如PLC(可编程逻辑控制器)、数控系统、计算机等。因此,光栅传感器通常会配备相应的接口,如RS485接口、SSI接口、模拟量接口等,以便与其他设备进行通信和数据传输。