光栅尺工作原理

时间：2022-09-17

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器或光栅尺传感器，是通过利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。

光栅尺工作原理

以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示：

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。

常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交义。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积较小，挡光效应较弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质：

（1）当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。

（2）若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为W-d/sin当角很小时，上式可近似写W=d/θ。

若取d=0.01mm，θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，*复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。

（3）由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。

（4）莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。

根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1/4莫尔条纹宽度，即W/4，由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次**前或滞后（取决于两光栅尺相对移动的方向）1/4周期（即π/2）的近似于余弦函数的光强度变化过程，用表示，见图4-9（c）。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化转换成相应的电压信号，设为。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。

1，位移大小的检测

由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测这4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因是余弦函数，故根据之值也可以计算出其相对移动的距离。

2，位移方向的检测

若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程和及输出的相应的电压信号和，在这种情况下，滞后的相位为/2；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程和及输出的相应的电压信号和，在这种情况下，**前的相位为/2。因此，根据和两信号相互间的**前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。

工作原理：直线光栅尺和旋转编码器均依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移。

1·刻线玻璃尺（直线光栅尺有效测量长度3米以下使用）刻线玻璃盘片（旋转编码器）

2·刻线钢带尺（直线光栅尺有效测量长度3米以上使用）

测量过程：反馈产品提供的输出信号是由光源通过刻在直线尺或盘片的栅格线后，再经光电转换装置的处理产生的。读数装置由光源、刻线玻璃与栅格窗、以及光电二极管接收装置组成。反馈产品采用红外发光二极管（IRED）作为光源，这种光源具有安全、寿命长的特点。

1，刻线玻璃反馈系统

红外线光束被光电二极管接收前，先通过有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗间的相对运动回产生正弦波形式的光波，这种光波经光电二极管接收后，会转换成较初始的电流正弦波信号，这些电信号的周期与栅距是一样的。

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2·刻线钢带反馈系统

工作原理是让光以反射方式通过网状栅格，读数系统由一个LED组成作为刻线钢带的光源（衍射光）。网状成像装置和信号光检测元件采用较新**技术设计，该装置能使成像在相同平面，从而大大提高了信号的精度和可靠性。

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3，旋转和角度编码器

旋转和角度编码器，采用衍射光通过刻线玻璃光栅盘片，再经过光电转换产生电信号。栅距有每转多少线决定

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