光柵尺工作原理

時(shí)間：2022-09-17作者：上海銳放自控技術(shù)有限公司瀏覽：438

   光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器或光柵尺傳感器，是通過利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。

光柵尺工作原理

以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋”。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示：

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。

常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交義。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積較小，擋光效應(yīng)較弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個(gè)區(qū)域透過光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：

（1）當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，透過莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。

（2）若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為W-d/sin當(dāng)角很小時(shí)，上式可近似寫W=d/θ。

若取d=0.01mm，θ=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，*復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個(gè)重要特點(diǎn)。

（3）由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個(gè)別線紋之間的柵距誤差具有平均效應(yīng)，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。

（4）莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對移動(dòng)相對應(yīng)。兩光柵尺相對移動(dòng)一個(gè)柵距d，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵尺相對移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。

根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假如我們在莫爾條紋移動(dòng)的方向上開4窗口A，B，C，D，且使這4個(gè)窗口兩兩相距1/4莫爾條紋寬度，即W/4，由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)，從4個(gè)觀察窗口A，B，C，D可以得到4個(gè)在相位上依次**前或滯后（取決于兩光柵尺相對移動(dòng)的方向）1/4周期（即π/2）的近似于余弦函數(shù)的光強(qiáng)度變化過程，用表示，見圖4-9（c）。若采用光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀察窗口的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，設(shè)為。根據(jù)這4個(gè)電壓信號，可以檢測出光柵尺的相對移動(dòng)。

1，位移大小的檢測

由于莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對移動(dòng)是相對應(yīng)的，故通過檢測這4個(gè)電壓信號的變化情況，便可相應(yīng)地檢測出兩光柵尺之間的相對移動(dòng)。每變化一個(gè)周期，即莫爾條紋每變化一個(gè)周期，表明兩光柵尺相對移動(dòng)了一個(gè)柵距的距離；若兩光柵尺之間的相對移動(dòng)不到一個(gè)柵距，因是余弦函數(shù)，故根據(jù)之值也可以計(jì)算出其相對移動(dòng)的距離。

2，位移方向的檢測

若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，指示光柵沿正方向移動(dòng)，這時(shí)，莫爾條紋相應(yīng)地沿向下的方向移動(dòng)，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強(qiáng)度變化過程和及輸出的相應(yīng)的電壓信號和，在這種情況下，滯后的相位為/2；反之，若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，指示光柵沿負(fù)方向移動(dòng)，這時(shí)，莫爾條紋則相應(yīng)地沿向上的方向移動(dòng)，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強(qiáng)度變化過程和及輸出的相應(yīng)的電壓信號和，在這種情況下，**前的相位為/2。因此，根據(jù)和兩信號相互間的**前和滯后關(guān)系，便可確定出兩光柵尺之間的相對移動(dòng)方向。

工作原理：直線光柵尺和旋轉(zhuǎn)編碼器均依據(jù)相對運(yùn)動(dòng)的原理來產(chǎn)生光信號，這些信號經(jīng)過光電器件的轉(zhuǎn)換處理后，用來檢測機(jī)械裝置的位移。

1·刻線玻璃尺（直線光柵尺有效測量長度3米以下使用）刻線玻璃盤片（旋轉(zhuǎn)編碼器）

2·刻線鋼帶尺（直線光柵尺有效測量長度3米以上使用）

測量過程：反饋產(chǎn)品提供的輸出信號是由光源通過刻在直線尺或盤片的柵格線后，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置的處理產(chǎn)生的。讀數(shù)裝置由光源、刻線玻璃與柵格窗、以及光電二極管接收裝置組成。反饋產(chǎn)品采用紅外發(fā)光二極管（IRED）作為光源，這種光源具有安全、壽命長的特點(diǎn)。

1，刻線玻璃反饋系統(tǒng)

紅外線光束被光電二極管接收前，先通過有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗間的相對運(yùn)動(dòng)回產(chǎn)生正弦波形式的光波，這種光波經(jīng)光電二極管接收后，會(huì)轉(zhuǎn)換成較初始的電流正弦波信號，這些電信號的周期與柵距是一樣的。



2·刻線鋼帶反饋系統(tǒng)

工作原理是讓光以反射方式通過網(wǎng)狀柵格，讀數(shù)系統(tǒng)由一個(gè)LED組成作為刻線鋼帶的光源（衍射光）。網(wǎng)狀成像裝置和信號光檢測元件采用較新**技術(shù)設(shè)計(jì)，該裝置能使成像在相同平面，從而大大提高了信號的精度和可靠性。



3，旋轉(zhuǎn)和角度編碼器

旋轉(zhuǎn)和角度編碼器，采用衍射光通過刻線玻璃光柵盤片，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號。柵距有每轉(zhuǎn)多少線決定



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