光栅尺的工作原理

光栅尺的工作原理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。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元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，指示光栅的线纹错开1／4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，往往在光栅线较粗的场合使用。2．莫尔条纹式光栅莫尔条纹的形成与光栅常数—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，条纹将沿栅线方向移动(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，在倾斜角很小时，莫尔条纹宽度B与栅距W之间有如下关系：B=W/2sin（θ/2）≈W/θ即条纹宽度B是栅距W的1／θ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轴方向移动半个栅距时，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θ)方向移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Ll，照射到光栅G1、G2上，形成莫尔条纹，由透镜L2聚焦，并在焦平面上安置光电元件P接受莫尔条纹的明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。光栅刻线截面为锯齿形，光源Q的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主要用于每毫米25~125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使光束垂直照射到标尺光栅Gl，然后通过光栅G2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=W2／λ。使用时再作微量调整。3)反射读数头这种读数头主要用于每毫米25-50条线纹以下的反射光栅系统。如下图所示，光源经透镜Ll得到平行光，并以对光栅法向面为β的入射角(一般为300)投射到标尺光栅G1的反射面上，反射回来的光束先通过指示光栅C2形成莫尔条纹，然后经过透镜L2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，可以重新对零。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位信号，并在数字显示器中显示。2．辨向方法在光栅检测装置中，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S1、S2，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(b)所示。由于莫尔条纹通过光电元件的时间不同，两信号将有900或1／4周期的相位差。而信号的超前与落后，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ID1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。为了提高分辨率，线路采用了4倍频的方案，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，所以微分电路前必须反相一次，图中4个方波(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H1，得A'B+AD'+C'D+B'C4个脉冲输出；当反向运动时，通过与门5-8及或门H2得到BC'+AB'+A'D+CD'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倍频等线路。例如，每毫米100线纹光栅，10倍频后，其最小读数值为lμm，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，光栅必须采用与机床材料膨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。