B3 光栅传感器实验OK

  补补补33光栅传感器实验光栅传感器实验光栅传感器实验几百年前，法国人发现一种现象：当两层被称作莫尔丝绸的绸子叠在一起时将产生复杂的水波几百年前，法国人发现一种现象：当两层被称作莫尔丝绸的绸子叠在一起时将产生复杂的水波几百年前，法国人发现一种现象：当两层被称作莫尔丝绸的绸子叠在一起时将产生复杂的水波状的图案，如薄绸间相对挪动，图案也随之幌动，这种图案当时称之为莫尔或者莫尔条纹。一般说，状的图案，如薄绸间相对挪动，图案也随之幌动，这种图案当时称之为莫尔或者莫尔条纹。一般说，状的图案，如薄绸间相对挪动，图案也随之幌动，这种图案当时称之为莫尔或者莫尔条纹。一般说，任何具有一定排列规律的几何簇图案的重合，均能形成按新规律分布的莫尔条纹图案。任何具有一定排列规律的几何簇图案的重合，均能形成按新规律分布的莫尔条纹图案。任何具有一定排列规律的几何簇图案的重合，均能形成按新规律分布的莫尔条纹图案。4年，瑞利首次将莫尔图案作为一种计量测试手段，即根据条纹的结构形状来评价光栅尺各年，瑞利首次将莫尔图案作为一种计量测试手段，即根据条纹的结构形状来评价光栅尺各年，瑞利首次将莫尔图案作为一种计量测试手段，即根据条纹的结构形状来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性，从而开拓了莫尔计量学。跟着时间的推移，莫尔条纹测量技术现已经广泛应线纹间的间隔均匀性，从而开拓了莫尔计量学。跟着时间的推移，莫尔条纹测量技术现已经广泛应线纹间的间隔均匀性，从而开拓了莫尔计量学。跟着时间的推移，莫尔条纹测量技术现已经大范围的应用于多种工程计量测试中，为微位移的测量，做出了重大的贡献。用于多种工程计量测试中，为微位移的测量，做出了重大的贡献。用于多种工程计量测试中，为微位移的测量，做出了重大的贡献。【实验目的】【实验目的】【实验目的】1.理解莫尔现象的产生原理理解莫尔现象的产生原理理解莫尔现象的产生原理2.测量直线光栅常数测量直线光栅常数测量直线.观察直线光栅、径向圆光栅、切向圆光栅的莫尔条纹并验证其特性。观察直线光栅、径向圆光栅、切向圆光栅的莫尔条纹并验证其特性。观察直线光栅、径向圆光栅、切向圆光栅的莫尔条纹并验证其特性。4.了解光栅传感器的结构及应用了解光栅传感器的结构及应用了解光栅传感器的结构及应用【实验原理】【实验原理】【实验原理】1.莫尔条纹现象莫尔条纹现象莫尔条纹现象将两片光栅的刻划面相向叠合，将两片光栅的刻划面相向叠合，将两片光栅的刻划面相向叠合，且使两光栅的栅线方向形成很小的交角且使两光栅的栅线方向形成很小的交角且使两光栅的栅线方向形成很小的交角,,,在相干或非相干光的照在相干或非相干光的照在相干或非相干光的照明下，在叠合面上将出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹现象是光栅传感器的理论基础，明下，在叠合面上将出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹现象是光栅传感器的理论基础，明下，在叠合面上将出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹现象是光栅传感器的理论基础，它可以用粗光栅或细光栅形成。栅距远大于波长的光栅称粗光栅，栅距接近波长的光栅称细光栅。它可以用粗光栅或细光栅形成。栅距远大于波长的光栅称粗光栅，栅距接近波长的光栅称细光栅。它可以用粗光栅或细光栅形成。栅距远大于波长的光栅称粗光栅，栅距接近波长的光栅称细光栅。1.11.11.1直线光栅直线光栅直线光栅两片光栅常量相同的光栅，其刻划面相向叠合并两片光栅常量相同的光栅，其刻划面相向叠合并两片光栅常量相同的光栅，其刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角且使两者栅线有很小的交角且使两者栅线有很小的交角,则由于挡光效应则由于挡光效应则由于挡光效应（对刻线密度小于或等于线密度小于或等于线/mm的光栅）的光栅）的光栅）或光的衍射作用或光的衍射作用或光的衍射作用（对刻线密度大于或等于刻线密度大于或等于刻线/mm的光栅）的光栅）的光栅），在与光栅刻线，在与光栅刻线，在与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹，如图大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹，如图大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹，如图B3B3B3－－－11若主光栅与指示光栅之间的夹角为若主光栅与指示光栅之间的夹角为若主光栅与指示光栅之间的夹角为，光栅栅距，光栅栅距，光栅栅距或光栅常量为或光栅常量为或光栅常量为dd，则相邻莫尔条纹之间的距离，则相邻莫尔条纹之间的距离，则相邻莫尔条纹之间的距离BBtantantan（B3B3B3－－－11由上式可知，由上式可知，由上式可知，当改变光栅夹角当改变光栅夹角当改变光栅夹角，莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度BB也将随即改变。也将随即改变。也将随即改变。若主光栅沿与刻线垂直方向挪动一个栅距若主光栅沿与刻线垂直方向挪动一个栅距若主光栅沿与刻线垂直方向挪动一个栅距dd尔条纹移动一个条纹间距尔条纹移动一个条纹间距尔条纹移动一个条纹间距BB。因此，莫尔条纹可以将。因此，莫尔条纹可以将。因此，莫尔条纹可以将很小的光栅位移同步放大为莫尔条纹的位移。当得到很小的光栅位移同步放大为莫尔条纹的位移。当得到很小的光栅位移同步放大为莫尔条纹的位移。当得到莫尔条纹相对移动的条数莫尔条纹相对移动的条数莫尔条纹相对移动的条数NN时，就能够获得光栅相对移动的位移时，就能够获得光栅相对移动的位移时，就能够获得光栅相对移动的位移xx莫尔条纹有如下主要特性：莫尔条纹有如下主要特性：莫尔条纹有如下主要特性：条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应条纹的移动与光栅的相对运动方向相对应在保持两光栅栅线的交角一定的情况下，在保持两光栅栅线的交角一定的情况下，在保持两光栅栅线的交角一定的情况下，使一个光栅固定，使一个光栅固定，使一个光栅固定，另一个光栅沿栅线的垂直方向运动，另一个光栅沿栅线的垂直方向运动，另一个光栅沿栅线的垂直方向运动，则莫尔条纹将沿栅线方向挪动。若光栅反向运动，则莫尔条纹的移动方向也随之反向。则莫尔条纹将沿栅线方向挪动。若光栅反向运动，则莫尔条纹的移动方向也随之反向。则莫尔条纹将沿栅线方向挪动。若光栅反向运动，则莫尔条纹的移动方向也随之反向。位移放大作用位移放大作用位移放大作用图B3B3B3－－－11直线光栅莫尔条纹直线光栅莫尔条纹直线光栅莫尔条纹当两光栅交角当两光栅交角当两光栅交角很小时，相当于把栅距很小时，相当于把栅距很小时，相当于把栅距dd放大了放大了放大了1/,称为光闸莫尔条称为光闸莫尔条称为光闸莫尔条同步性同步性同步性光栅运动一个栅距光栅运动一个栅距光栅运动一个栅距dd，莫尔条纹相应移动一个条纹间距。，莫尔条纹相应移动一个条纹间距。，莫尔条纹相应移动一个条纹间距。1.21.21.2径向圆光栅径向圆光栅径向圆光栅径向圆光栅是指大量在空间均匀分布都指向圆心的刻线形成的光栅。径向圆光栅是指大量在空间均匀分布都指向圆心的刻线形成的光栅。 径向圆光栅是指大量在空间均匀分布都指向圆心的刻线形成的光栅。图图 图B3 B3 B3－－ －22 相邻径向刻线的夹角）相同（即相邻径向刻线的夹角）相同（即 相邻径向刻线的夹角）相同（即 ）的径向光栅相向叠合产生的莫尔条纹。）的径向光栅相向叠合产生的莫尔条纹。 ）的径向光栅相向叠合产生的莫尔条纹。 若两光栅的刻划中心相距为若两光栅的刻划中心相距为 若两光栅的刻划中心相距为 22 ，且以两光栅刻划中心连线的中点为坐标原点，建立二维直角，且以两光栅刻划中心连线的中点为坐标原点，建立二维直角 ，且以两光栅刻划中心连线的中点为坐标原点，建立二维直角 坐标，则莫尔条纹满足如下方程 坐标，则莫尔条纹满足如下方程 坐标，则莫尔条纹满足如下方程 tantan tan 11 tantan tan tan tan tan （B3B3 B3－－ －22 因此，这种莫尔条纹的特点为：因此，这种莫尔条纹的特点为： 因此，这种莫尔条纹的特点为： 莫尔尔尔条条 条纹纹 为一一一组组 ，圆圆圆心心 tantan tan ，半径为，半径为 ，半径为 NN tantan tan 11 tantan tan 22 。所有的圆均通过。所有的圆均通过 。所有的圆均通过 两光栅的中心 两光栅的中心 两光栅的中心(( 条纹的曲率半径随位置不同而变化，条纹的曲率半径随位置不同而变化， 条纹的曲率半径随位置不同而变化，靠近外面的曲 靠近外面的曲 靠近外面的曲 率半径较大，靠近光栅中心的曲率半径较小。 率半径较大，靠近光栅中心的曲率半径较小。 率半径较大，靠近光栅中心的曲率半径较小。 当其中一片光栅转动时，当其中一片光栅转动时， 当其中一片光栅转动时，圆族将向外扩张或向内收 圆族将向外扩张或向内收 圆族将向外扩张或向内收 缩。每转动 缩。每转动 缩。每转动11 个节距角，莫尔条纹移动一个条纹宽度。个节距角，莫尔条纹移动一个条纹宽度。 个节距角，莫尔条纹移动一个条纹宽度。 1.31.3 1.3切向光栅 切向光栅 切向光栅 切向圆光栅是由空间分布均匀且都与切向圆光栅是由空间分布均匀且都与 切向圆光栅是由空间分布均匀且都与 11 个半径很小的同心圆单向相切的众多刻线构成的圆光个半径很小的同心圆单向相切的众多刻线构成的圆光 个半径很小的同心圆单向相切的众多刻线构成的圆光 栅，如图 栅，如图 栅，如图B3 B3 B3－－ －3(A) 3(A)所示。切向光栅的栅线都切于一个小圆。两只小圆半径均为所示。切向光栅的栅线都切于一个小圆。两只小圆半径均为 所示。切向光栅的栅线都切于一个小圆。两只小圆半径均为