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光柵尺是什么_光柵尺的工作原理

來源:上海殷德電氣有限公司   2021年06月30日 13:52  

光柵尺是什么

 

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原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應用于數(shù)控機床的閉環(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,響應速度快的特點。例如,在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測,來觀察和跟蹤走刀誤差,以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。

 

光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上,光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上,指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數(shù)頭,它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機構(gòu)等組成。

 

光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多,根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭。

 

光柵尺的工作原理

 

莫爾條紋以透射光柵為例,當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度θ,并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時,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” (右圖所示)。

 

嚴格地說,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* sinθ /2=ω /θ

 

莫爾條紋具有以下特征:

 

1)莫爾條紋的變化規(guī)律兩片光柵相對移過一個柵距,莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù),變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。

 

2)放大作用在兩光柵柵線夾角較小的情況下,莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關系。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 /θω =001mm,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線的光柵,10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,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。

 

電子細分與判向法

 

光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴,且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率,需要對莫爾條紋進行細分,目前(2006年)光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時,在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋,隨著光柵的移動,莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。

 

在一個莫爾條紋寬度內(nèi),按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能。例如,柵線為50線對/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(shù)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(gòu)成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的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(shù)脈沖,需對這兩路信號進行整形,首先把它們整形為占空比為11的方波。然后,通過對方波的相位進行判別比較,就可以等到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù),可以等到光柵尺的位移和速度。

 

 

 

 

 

 

 

 

(來源:網(wǎng)絡,版權(quán)歸原作者)

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