光栅测量原理

光栅直线测量的结构1光栅的结构2光栅的光路3莫尔条纹形成的原理4莫尔条纹技术的特点5辨向原理6细分技术什么是光栅在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。常用的线纹密度为50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜条数越多，光栅的分辨率越高。a—栅线的宽度b—缝隙的宽度W—光栅的栅距Wabab光栅直线测量的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光源：钨丝灯泡：价格便宜输出功率较大，与光电元件相组合的转换效率低。半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。光栅的光路透射光路反射光路（1）透射式光路1-光源2-准直透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。（2）反射式光路1反射主光栅2-指示光栅3-场镜4-反射镜5-聚光镜6-光源7-物镜8-光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。莫尔条纹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。莫尔条纹形成原理2tantan横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹技术的特点调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。例：当0.02mmW0.00174532rad(0.1'')11.4592mmHB时得WB栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm。θ=0.001rad，则上式可得W=11，即光栅放大了近600倍莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。例如：设，接收元件为10x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。。0.02mmW莫尔条纹技术的特点辨向原理单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。辨向光路设置莫尔条纹的细分位移是一个矢量，检测其大小，又要测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。4个光敏器件获的4路光电信号分别送到2只差分放大器，从差分放大器输出两路信号其相位差为π/2，获得判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先整形为方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以等到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以等到光栅尺的位移和速度。[2]细分技术提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。辨向电路辨向电路各点波形图（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。电阻电桥细分法用于10细分（c）电阻链细分法（电阻分割法）等电阻链细分电路实质：用电阻衰减器来进行细分。Endthe4.5①精度高。光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的。光栅传感器的应用近年来，我国设计和制造了很多新型光栅传感器。光栅传感器已在精密数控机床和仪器中作为定位、测长、测转角、测速、测振幅的检测元件，而且应用日趋广泛。光栅传感器的应用光栅传感器的应用