光栅尺原理

一、光栅尺直线透射式光栅1.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。光栅位置检测装置的组成1—光源2—透镜3—标尺光栅4—指示光栅5—光电元件2.工作原理在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示。两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为W，则因为θ很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。2sin2WBWB莫尔条纹具有如下特点：（1）由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ，由于θ很小（小于10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01㎜，θ=0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。（2）起均化误差作用莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10㎜，当W=0.01㎜时，10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。（3）莫尔条纹的变化规律长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。3.光栅的辨向与信号处理在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号;经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。光栅的特点1.有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到0.1微米。2.响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制。3.对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。4.由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。光电脉冲编码器光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两面分别装有光源和光敏元件，当圆盘转动时，光线的明暗变化，经过光敏元件检测变成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位差90°的信号，用于辨向；一个零信号(又称一转信号)，用于机床回参考点的控制；另外还有+5V电源和接地端信号。