光栅尺的工作原理

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  1、光栅尺的工作原理mi工作原理光栅位置检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）和光电元件等组成见下图。根据光栅的工作原理分透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。1 透射直线式光栅 如下图所示。它是用光电元件把两块光栅移动 时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部 件上，称之为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称之为指示 光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光 栅和指示光栅再由W* P物镜聚焦射到光电 元件上。若指示光 栅的线纹与标尺光 栅透明间隔完全重 合，光电元件接收 到的光通量最小。若指

  2、示光栅的线纹 与标尺光栅的线纹 完全重合，光电元送鹽ft线成光琳號副!般to 册梅晖:I灯租：2atti4塀尺Jtflh吒班元杵；6盅致头件接收到的光通量最大。因此，标尺光栅 移动过程中，光电元件接收到的光通量忽 大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用 电子线路转变为数字以显示位移量。为了 辨别运动方向，指示光栅的线栅距，并通过鉴向线路进行判别。由于这种光栅只能透过单个透明间隔，所 以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光 栅线 莫尔条纹式光栅莫尔条纹的形成与光栅常数一栅距及光的波长有关，在栅距大小与波长十分接近时，莫尔条纹可由衍射光的干 涉现象来解释。而在栅距较波长

  3、大得多的场合（粗光栅），衍射现象已不十分明显，莫尔条纹的产生则由于栅线遮光作用，故可用几何光学来说明。在现场常见的是后一种光栅，现以此为例子加以介绍。下图所示是用栅格斜置的长光栅，图中作为标尺光栅的栅线和X轴垂直，而作为指示光栅的栅线与标尺光栅之间有一个小的倾斜角臼， 两者间形成透光的 （图中a）和不透光的（图中b）菱形条纹。当两光栅沿 X轴 作相对移动时，条纹将沿栅线方向挪动 （横向莫尔条纹）。每变化一个栅距，透光部分将由a处移到b处, a处则完全遮断，于是在 a、 b两处轮流处于透光和遮光状态。若在。处放置一个光敏元件，则其上的光通 量将随栅格的相对移动而呈三角形变化。不难证明，在倾斜角很

  4、小时，莫尔条纹宽度B与栅距 W之间有如下关系： B=W/2sin （9 /2 ）W/ 9即条纹宽度 B是栅距 W的1 / 9倍。这种放大作用，是利用光栅测量微小位移的基础。若在。处放置一 个宽度等于B的光电元件，当标尺光栅沿 X轴方向挪动半个栅距时，光电元件的受光面积从最大变化到最 小（完全遮断），此后又逐步增大。故在标尺光栅以等速沿X轴运动时，a处的光电元件的受光面积将作周期性变化，其效果类似于一个具有菱形透光孔的长带沿口角轴（与Y轴夹角为9 ）方向挪动所产生的效果一样四、光栅检测装置1 .光栅读数头光栅读数头由光源、 指示光栅和光电元件组合而成，是光栅与电学系统转换的部件。读数头的结构形式

  5、很多，但就光路分，有以下几种。1）分光读数头 其原理如下图所示，从光源 Q发出的光，经透镜 L I，照射到光栅 G 1、面上安置光电元件P接受莫尔条纹的光栅刻线截面为锯齿形，光源Q的G 2上，形成莫尔条纹，由透镜 L 2聚焦，并在焦平 明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。 倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波 长确定的。这种光栅的栅距较小 （0 .004mm ），因此两光栅之间的间隙也小， 主要用在高精度坐标 镗床和精密测量仪器上。2）垂直入射读数头这种读数头大多数都用在每毫米25125条刻线的玻璃透射光栅系统，如下图所示，从光源 Q经透镜L使光束垂直应轴渎散头光賂團照射到标尺光栅

  6、 G I，然后通过光栅 G 2由光电元件 P 接收。两块光栅的距离t根据有效光波的波长和光栅栅距W决定，即t=W 2 /入。使用时再作微量调整。3）反射读数头这种读数头大多数都用在每毫米25-50条线纹以下的反射光栅系统。如下图所示，光源经透镜L I得到平行光，并以对光栅法向面为3的入射角（一般为30 0 ）投射到标尺光栅 G 1的反射面上，反射回来的光束先通过 指示光栅C 2形成莫尔条纹，然后经过透镜L 2使光电元件P接收信号。上述光栅只能用于增量式测量方式，有的光栅读数头设有 一个绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，能重新 对零。它是在两光栅上分别有一小段光栅，当这两小段光 栅重合时发出零

  7、位信号，并在数字显示器中显示。 2辨向方法（b）所示。由于莫尔条纹通过光电元件的时在光栅检测装置中，将光源来的平行光调制后 作用于光电元件上，从而得到与位移成比例的 电信号。当光栅移动时，从光电元件上将获得 一正弦电流。若仅用一个光电元件检测光栅的 莫尔条纹变化信号，只能产生一个正弦波信号 用作计数，不能分辨运动方向。为了辨别方向，如下图（a）所示，安置两只光 电元件（或设置两个狭缝 S 1、S 2,让光线 透过它们分别为两个光电元件接受 ），彼此 相距1 /4节距。当光栅移动时，从两只光电 元件分别得到正弦和余弦的电流波形，如下图 间不同，两信号将有 900或1 /4周期的相位差。而信号的超

  8、前与落后，取决于光栅的移 动方向。这样，两信号经过放大整形和微分等电子判向电路，即可判别它们的超前与落后,从而判别了机床的运动方向。 例如，当标尺光栅向右运动 时，莫尔条纹向上移动，信号 ID2超前1 /4周期，反之， 当标尺光栅向左移动时，莫尔 条纹向下移动，信号 ID 1超 前1 / 4周期。3 .分辨率的提高 下图是一种光栅测量装置的 逻辑框图。为了更好的提高分辨率， 线倍频的方诃窘装拓案，在一个莫尔条纹节距内 安装了 4只光电元件（如 硅光电池），每相邻两只的 距离为1/4节距。则莫尔 条纹每移动一个节距，光电 元件将产生4个正弦、余弦信号，然后经过放大、整 形为方波。再经微分电

  9、路获得4个脉冲（A、B、C、D）。由于脉冲在方波的上 升沿产生，为了使脉冲位于0 、90 、180 、270 的相位上，所以微分电路前必（町蜜宴IM光电瓦件时安装展M府产生时电蘆絃愚裤上升辰旬匕升沿*.相 相须反相一次，图中4 个方朮操怦怖电带咼范也波（A、B、C、D）通过与门跟 4个脉冲的逻辑组合为辨向线路，当正向运动时，通 过与门1-4及或门H 1 ,得AB+AD+CD+BC 4 个脉冲输出；当反向运动时，通过与门 5-8及或门H 2得到BC+AB+AD+CD'

  10、;4 个脉冲输出。这样，如果光栅 的栅距为 0 . 02mm , 4倍频后每一个脉冲相当于0 . 005mm，使分辨率提高 4倍。另外，除4倍频外，还有8倍频、10倍频、20倍频等线线 倍频后，其最小读数值为I卩m可用于精密机床的测量。光栅检测元件一般用玻璃制成，容易受外界气温的影响而产生误差。而且灰尘、切屑、油污、水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，甚至因光栅的相对运动而损坏刻线。因此，光栅一定要采用与机床材料线胀系数接近的等玻璃材料，并且加强对光栅系统的维护和保养。测量精度较高的光栅都使用在环境条件较好的恒温场所或进行 密封。

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