光柵尺的工作原理

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1、光柵尺的工作原理工作原理光柵位置檢測裝置由光源、長光柵(標(biāo)尺光柵)、短光柵(指示光柵)和光電元件等組成見下圖。根據(jù)光柵的工作原理分透射直線式和莫爾條紋式光柵兩類。1．透射直線式光柵如下圖所示。它是用光電元件把兩塊光柵移動時產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓姆绞健ｉL光柵裝在機(jī)床移動部件上，稱之為標(biāo)尺光柵；短光柵裝在機(jī)床固定部件上，稱之為指示光柵。標(biāo)尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對線紋垂直移動時，光源通過標(biāo)尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上。若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接收到的光通量最小。若指示

2、光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋完全重合，光電元件接收到的光通量最大。因此，標(biāo)尺光柵移動過程中，光電元件接收到的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字以顯示位移量。為了辨別運(yùn)動方向，指示光柵的線紋錯開1／4柵距，并通過鑒向線路進(jìn)行判別。由于這種光柵只能透過單個透明間隔，所以光強(qiáng)度較弱，脈沖信號不強(qiáng)，往往在光柵線較粗的場合使用。2．莫爾條紋式光柵莫爾條紋的形成與光柵常數(shù)—柵距及光的波長有關(guān)，在柵距大小與波長十分接近時，莫爾條紋可由衍射光的干涉現(xiàn)象來解釋。而在柵距較波長大得多的場合(粗光柵)，衍射現(xiàn)象已不十分明顯，莫爾條紋的產(chǎn)生則由于柵線遮光作用，故

3、可用幾何光學(xué)來說明。在現(xiàn)場常見的是后一種光柵，現(xiàn)以此為例子加以介紹。下圖所示是用柵格斜置的長光柵，圖中作為標(biāo)尺光柵的柵線和X軸垂直，而作為指示光柵的柵線與標(biāo)尺光柵之間有一個小的傾斜角臼，兩者間形成透光的(圖中a)和不透光的(圖中b)菱形條紋。當(dāng)兩光柵沿X軸作相對移動時，條紋將沿柵線方向移動(橫向莫爾條紋)。每變化一個柵距，透光部分將由a處移到b處，a處則完全遮斷，于是在a、b兩處輪流處于透光和遮光狀態(tài)。若在。處放置一個光敏元件，則其上的光通量將隨柵格的相對移動而呈三角形變化。不難證明，在傾斜角很小時，莫爾條紋寬度B與柵距W之間有如下關(guān)系：B=W/2sin（θ/2）

4、≈W/θ即條紋寬度B是柵距W的1／θ倍。這種放大作用，是利用光柵測量微小位移的基礎(chǔ)。若在。處放置一個寬度等于B的光電元件，當(dāng)標(biāo)尺光柵沿X軸方向移動半個柵距時，光電元件的受光面積從最大變化到最小(完全遮斷)，此后又逐步增大。故在標(biāo)尺光柵以等速沿X軸運(yùn)動時，a處的光電元件的受光面積將作周期性變化，其效果類似于一個具有菱形透光孔的長帶沿口角軸(與Y軸夾角為θ)方向移動所產(chǎn)生的效果一樣。四、光柵檢測裝置1．光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭由光源、指示光柵和光電元件組合而成，是光柵與電學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的部件。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式很多，但就光路分，有以下幾種。1)分光讀數(shù)頭其原理如下圖所示，從光源

5、Q發(fā)出的光，經(jīng)透鏡Ll，照射到光柵G1、G2上，形成莫爾條紋，由透鏡L2聚焦，并在焦平面上安置光電元件P接受莫爾條紋的明暗信號。這種光學(xué)系統(tǒng)是莫爾條紋光學(xué)系統(tǒng)的基本型。光柵刻線截面為鋸齒形，光源Q的傾角是根據(jù)光柵材料的折射率與入射光的波長確定的。這種光柵的柵距較小(0．004mm)，因此兩光柵之間的間隙也小，主要用在高精度坐標(biāo)鏜床和精密測量儀器上。2)垂直入射讀數(shù)頭這種讀數(shù)頭主要用于每毫米25~125條刻線的玻璃透射光柵系統(tǒng)，如下圖所示，從光源Q經(jīng)透鏡L使光束垂直照射到標(biāo)尺光柵Gl，然后通過光柵G2由光電元件P接收。兩塊光柵的距離t根據(jù)有效光波的波長和光柵柵距W決

6、定，即t=W2／λ。使用時再作微量調(diào)整。3)反射讀數(shù)頭這種讀數(shù)頭主要用于每毫米25-50條線紋以下的反射光柵系統(tǒng)。如下圖所示，光源經(jīng)透鏡Ll得到平行光，并以對光柵法向面為β的入射角(一般為300)投射到標(biāo)尺光柵G1的反射面上，反射回來的光束先通過指示光柵C2形成莫爾條紋，然后經(jīng)過透鏡L2使光電元件P接收信號。上述光柵只能用于增量式測量方式，有的光柵讀數(shù)頭設(shè)有一個絕對零點(diǎn)，當(dāng)停電或其他原因記錯數(shù)字時，可以重新對零。它是在兩光柵上分別有一小段光柵，當(dāng)這兩小段光柵重合時發(fā)出零位信號，并在數(shù)字顯示器中顯示。2．辨向方法在光柵檢測裝置中，將光源來的平行光調(diào)制后作用于光電元件

7、上，從而得到與位移成比例的電信號。當(dāng)光柵移動時，從光電元件上將獲得一正弦電流。若僅用一個光電元件檢測光柵的莫爾條紋變化信號，只能產(chǎn)生一個正弦波信號用作計數(shù)，不能分辨運(yùn)動方向。為了辨別方向，如下圖(a)所示，安置兩只光電元件(或設(shè)置兩個狹縫S1、S2，讓光線透過它們分別為兩個光電元件接受)，彼此相距1／4節(jié)距。當(dāng)光柵移動時，從兩只光電元件分別得到正弦和余弦的電流波形，如下圖(b)所示。由于莫爾條紋通過光電元件的時間不同，兩信號將有900或1／4周期的相位差。而信號的超前與落后，取決于光柵的移動方向。這樣，兩信號經(jīng)過放大整形和微分等電子判向電路，即可判別它們的超前與落

8、后，從而判