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ZKY-GS光栅传感器实验仪器实验指导及操作说明书成都世纪中科仪器有限公司地址：中国科学院成都人民南路四段9号中国科学院上海分院邮政编码：610041电话： 13176197913(028 传真：(028 网址：:2009-09-14 世纪中科 第8页(共8页) 光栅传感器实验仪器 数百年前，西班牙人发现了一个现象：当两层称为莫尔丝的缎子在堆叠在一起，就会形成复杂的结构。水状的图案，如细丝相互相对移动，图案也急剧摇摆，当时被称为云纹或云纹白。一般来说，任何几何簇的重叠具有一定排列的图案可以产生按新规则分布的莫尔白色图案。1874年，瑞利首先采用莫尔图案作为测量方法，即根据白色结构形状，进而开创了莫尔条纹计量学。 随着时间的推移，莫尔白检测技术已广泛应用于各种工程计量测试中，为微位移的检测做出了重大贡献。 该实验的目的是了解莫尔现象的形成机制。 线性光栅常数观察线性光栅、径向圆形光栅、切向圆形光栅的莫尔白颜色并验证其特性。 了解光栅传感的结构和应用实验原理 1.莫尔白现象 两块光栅以很小的交叉角度相对叠加时，在相干光或非相干光的照射下，叠加表面会出现稀疏和密集的水平条纹，这就是被称为莫尔粉红。
莫尔白现象是光栅传感的理论基础，可以用粗光栅或细光栅来产生。 光栅间距远小于波长的光栅称为粗光栅，光栅间距接近波长的光栅称为细光栅。 1.1 线性光栅 图1 线性光栅莫尔白 两片光栅常数相同的光栅，其划片面相互重叠，由于遮光作用，使两光栅线有很小的交叉角θ（光栅线密度=100/mm） ），在大致垂直于光栅线的方向上产生稀疏和密集的水平条纹，如图1所示。如果主光栅与指示光栅之间的倾角为θ，光栅间距为w，则距离B相邻莫尔白之间是。 从上式可以看出，当光栅倾角θ改变时，莫尔白长度B也会发生急剧变化。 改变。 如果主光栅沿垂直于刻线的方向连接一个光栅间距w，则莫尔白连接一个白色宽度B。为此，莫尔白可以将很小的光栅位移放大为莫尔白位移。 当获得莫尔白相对连接的数量N后，即可得到光栅的相对连接位移x为： 莫尔白具有以下主要特点：白色连接对应于光栅的相对运动方向，同时保持交点两个光栅的角度恒定。 ，使一个光栅固定，另一个光栅沿光栅线的垂直方向移动，则莫尔白颜色将沿光栅线的方向连接。 如果光栅沿相反方向移动，则莫尔白通信的方向也相应地反转。 当两个光栅之间的夹角很小时，位移放大效果相当于将光栅节距放大1/倍。 当时，它被称为快门莫尔白。 同步光栅移动一个光栅节距，莫尔白对应于白色宽度。
1.2 径向圆形光栅 径向圆形光栅是指由大量均匀分布在空间上并指向圆心的刻线产生的光栅。 图2显示了由两个具有相同节距角（即）的径向光栅相互叠加形成的莫尔白颜色。 图2 径向圆形光栅莫尔白如果两个光栅的标记中心之间的距离为2，则莫尔白颜色满足以下方程。 因此，莫尔白颜色具有以下特征： (1) 一组不同直径的莫尔白位 中心位置为 、直径为 的圆多项式。 所有圆都经过两个光栅的中心（，）和（-，）。 (2)白色的曲率直径随位置的不同而变化。 靠近外侧的曲率直径较大，靠近光栅中心的曲率直径较小。 (3)当其中一个光栅旋转时，圆族将向外扩展或向内收缩。 每旋转一个节距角，莫尔白就连接一个网格节距。 1.3 切向光栅 切向圆形光栅是由许多在空间上均匀分布、与小直径同心圆双向相切的刻线组成的圆形光栅，如图3（A）所示。 切向光栅的网格线全部切割成一个小圆圈。 两个直径和节距角相同的切向光栅同心叠加。 莫尔白满足的多项式是它们是一组同心环，如图3(B)所示。 图 3(B) 切向光栅莫尔白 图 3(A) 切向圆光栅 2、光栅传感 光栅传感主要由光源系统、光栅子系统、光电转换及处理系统等组成，如图 4 所示光源系统使光源以平面波或球面波的形式照射光栅子系统。 光电转换处理系统用于测量莫尔白颜色的变化，并经过适当处理后将其转换为位移或角度变换。 光栅子系统主要用于形成各类莫尔白，是关键部分。
图4 光栅传感系统的组成示意图。 仪器介绍。 仪器结构由主光栅底座、辅助光栅滑块、摄像头和监视器组成（图5）。 主光栅和辅助光栅形成可组装的开放式光栅辅助结构。 1、主光栅底座 2、辅助光栅滑座 3、摄像头 4、监视器 图5 实验装置 配光 1、主光栅底座 主光栅底座由主光栅和读取装置组成（图6）。 读取装置由尺子和厘米架组成，用于读取子光栅的通信距离，作为子光栅通信距离的标准值。 主光栅和辅助光栅形成可组装的开放式结构，可以让中学生直观地了解光栅位移传感的结构，并通过摄像头观察检测监视器上白色的相关特性。 1. 尺子 2. 摄氏轮 3. 主光栅 图 6 主光栅底座 图 7 辅助光栅滑块 1. 读数位置 2. 摄像头 3. 角度读数盘 4. 辅助光栅 5. 视频连接器 2. 辅助光栅滑块 光栅滑动底座由子光栅、可旋转的子光栅底座和角度读数盘组成（如图7所示）。 辅助光栅固定安装在辅助光栅支架上。 旋转辅助光栅支架可以改变光栅对之间的交叉角度，其角位置由角度读取盘读出。 3、摄像头和监视器摄像头和监视器用于观察和检测莫尔白的特性，由摄像头升降平台、摄像头和监视器组成。 摄像机升降平台位于辅助光栅滑座上（图8），用于调节摄像机的上下位置，以便在监视器中观察到清晰的粉红色。
摄像头升降台调节方法：松开调节图中螺丝2，连接前后摄像头对准子光栅中间位置，然后拧紧螺栓2。调节旋钮3连接摄像头上下移动，直到在监视器中观察到清晰的莫尔白色。 松开旋钮1，然后转动旋钮4，可以调整显示器上云纹白的倾斜角度，方便校准和检测。 调整角度后莫尔条纹宽度计算，拧紧旋钮1。 图8 相机升降台实验内容及步骤实验前准备：安装线性主光栅。 请注意，主光栅的刻痕面应朝下。 安装摄像头。 检测线性光栅的光栅常数； 估算成像系统的放大倍数，打开电源，调整摄像机的上下位置，使监视器上出现清晰的白色线性光栅。 旋转相机，使光栅线与显示器的水平刻划线平行。 转动手轮，通过读取游标起始位置和终止位置的刻度读数，测量10个光栅白色间隔对应的距离。 1234 光标初始位置(cm) 光标结束位置(cm)=|-|(cm)是根据测试数据计算出的几组值的平均值。 通过读取距显示器 10 个光栅白色间距的距离来估计成像系统的放大倍数。 12345 顺时针转动手轮（cm） 逆时针转动手轮（cm） 相邻网格线的宽度为检测到的几组值的平均值。 由此估算成像系统的放大倍数，观察线性光栅的云纹白并测试其特性：安装线性子光栅。 逐渐旋转子光栅，改变两光栅的倾斜角度θ。 每变化5°，记录监视器上一条莫尔白条纹的长度s，并估计莫尔白条纹的实际长度。
12345678 光栅盘旋转角度 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 条纹间距（顺时针） cm 莫尔白实际长度 白色长度（反二级） cm 莫尔白实际长度 莫尔白实际长度 取纵坐标和 1 /θ为横坐标画图求光栅常数。 验证白光连接是否对应光栅相对运动方向：转动手轮连接副光栅，观察云纹白连接方向。 反向连接次级光栅，观察莫尔白连接方向的变化。 使用线性光栅检测线位移：使主光栅和辅助光栅形成一定的倾斜角θ，调整摄像机的上下位置，使监视器上出现清晰的莫尔白图案。 转动光栅盘使子光栅沿轨道移动。 对于每个连接的莫尔白，记录子光栅的位置。 光标初始位置：以莫尔白变化数为横坐标，位移y为纵坐标的光标读数（cm）； 估计其非线性偏差。 5、观察径向光栅的云纹白颜色并测试其特性：安装径向子光栅并调整摄像机的上下位置，使监视器上出现清晰的云纹白图案。 注意主光栅和辅助光栅应相对放置。 调整两光栅中心距离，使其呈现莫尔白，观察并画出莫尔白图案的对称性和圆直径的变化。 改变两个光栅中心的宽度，观察圆曲率直径的变化。 转动手轮与辅助光栅通讯，观察云纹白的方向。 反向连接次级光栅，观察莫尔白连接方向的变化。
6、切向光栅莫尔白的观察及其特性测试 安装切向子光栅，调整摄像机的上下位置，使监视器上出现清晰的莫尔白图案。 注意主光栅和辅助光栅应相对放置。 转动手轮使两光栅同心，观察并绘制云纹白色图案。 转动手轮与辅助光栅通讯，观察云纹白的方向。 反向连接次级光栅，观察莫尔白连接方向的变化。 7、使用径向光栅莫尔白检测角位移：使两个光栅中心有一定的距离θ，调整摄像头的上下位置，使监视器上出现清晰的莫尔白图案。 顺时针旋转副光栅，每5个莫尔白记录一次副光栅的角度位置，直至30个白。 逆时针旋转子光栅，每5个莫尔白记录一次子光栅的角度位置，直到30个条纹。 莫尔白连接数 N 是旋转角度（顺时针）。 以莫尔白变化次数N为横坐标，角度变化θ为纵坐标绘制旋转角度（反秒针）； 估计其非线性偏差。 8、使用切向光栅莫尔白检测角位移：使两个光栅中心有一定的距离θ，调整摄像机的上下位置，使监视器上出现清晰的莫尔白图案。 顺时针旋转副光栅，每5个莫尔白记录一次副光栅的角度位置，直至30个白。 逆时针旋转子光栅，每5个莫尔白记录一次子光栅的角度位置，直到30个条纹。 莫尔白连接数 N 是旋转角度（顺时针）。 以莫尔白变化次数N为横坐标，角度变化θ为纵坐标绘制旋转角度（反秒针）； 估计其非线性偏差。 【注意事项】 使用前请仔细阅读使用说明书。 为保证使用安全，三芯电源线必须可靠接地。 仪器应在清洁的场所使用，防止阳光直射和剧烈振动。 切勿用手触摸光栅表面。 如果格栅破裂，建议用水和少量清洁剂清洗，然后蒸。 测试时注意返回差异。 测试时莫尔条纹宽度计算，尽量避免光栅垂直上方有其他直射光源，因为玻璃的成像会对实验产生一定的影响。
