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帶您認識光柵尺
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帶您認識光柵尺

* 來(lái)源 : * 作者 : admin * 發(fā)表時(shí)間 : 2022-07-05 * 瀏覽 : 473
光柵尺,也稱(chēng)為光柵尺位移傳感器(光柵尺傳感器),是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應用于數控機床的閉環(huán)伺服系統中,可用作直線(xiàn)位移或者角位移的檢測。 其測量輸出的信號為數字脈沖,具有檢測范圍大,檢測精度高,響應速度快的特點(diǎn)。例如,在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進(jìn)行檢測,來(lái)觀(guān)察和跟蹤走刀誤差,以起到一個(gè)補償刀具的運動(dòng)誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同,分為透射光柵和反射光柵。 結構 光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床固定部件上,光柵讀數頭裝在機床活動(dòng)部件上,指示光柵裝在光柵讀數頭中。右圖所示的就是光柵尺的結構。 光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數頭,它由光源、會(huì )聚透鏡、指示光柵、光電元件及調整機構等組成。光柵讀數頭結構形式很多,根據讀數頭結構特點(diǎn)和使用場(chǎng)合分為直接接收式讀數頭(或稱(chēng)硅光電池讀數頭、鏡像式讀數頭、分光鏡式讀數頭、金屬光柵反射式讀數頭)。 工作原理 以透射光柵為例,當指示光柵上的線(xiàn)紋和標尺光柵上的線(xiàn)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(chēng)為“莫爾條紋” (右圖所示)。嚴格地說(shuō),莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線(xiàn)紋夾角的平分線(xiàn)相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱(chēng)為莫爾條紋的寬度,以W表示。 W=ω /2* sin(θ /2)=ω /θ 。 莫爾條紋具有以下特征: (1)莫爾條紋的變化規律 兩片光柵相對移過(guò)一個(gè)柵距,莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規律近似正(余)弦函數,變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。 (2)放大作用 在兩光柵柵線(xiàn)夾角較小的情況下,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線(xiàn)角θ之間有下列關(guān)系。式中,θ的單位為rad,W的單位為mm。由于傾角很小,sinθ很小,則 W=ω /θ 若ω =0.01mm,θ=0.01rad,則上式可得W=1,即光柵放大了100倍。 (3)均化誤差作用 莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,例如每毫米100線(xiàn)的光柵,10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線(xiàn)紋,這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了,消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。 檢測與數據處理 電子細分與判向法 光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱(chēng)量進(jìn)行測量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴,且制造困難。 為了提高系統分辨率,需要對莫爾條紋進(jìn)行細分,目前(2006年)光柵尺傳感器系統多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí),在與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上就會(huì )產(chǎn)生莫爾條紋,隨著(zhù)光柵的移動(dòng),莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個(gè)數的測量。 在一個(gè)莫爾條紋寬度內,按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現電子細分與判向功能。例如,柵線(xiàn)為50線(xiàn)對/mm的光柵尺,其光柵柵距為0.02mm,若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數脈沖,這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。 由于位移是一個(gè)矢量,即要檢測其大小,又要檢測其方向,因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,通常采用由低漂移運放構成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端,從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2,為得到判向和計數脈沖,需對這兩路信號進(jìn)行整形,首先把它們整形為占空比為1:1的方波。 然后,通過(guò)對方波的相位進(jìn)行判別比較,就可以等到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對方波脈沖進(jìn)行計數,可以等到光柵尺的位移和速度。
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