光栅传感器详解

光栅位移传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感，其有测量精度高、抗干扰能力强、动态测量范围广、响应速度快、易于实现测量及数据处理的自动化等优点，在坐标测量仪和高精度数控机床中有着广泛的应用。
   光栅传感器的种类很多，根据工作原理可分为物理光栅传感器和计量光栅传感器。物理光栅的刻线细密、主要是利用光的衍射现象，可用于进行光谱分析及光波长的测定等。计量光栅相对来说刻线较粗，通常用于数字检测系统，用来检测位移，分辨力高。数控机床上使用的是计量光栅传感器，计量光栅传感器按其形状可分为长光栅和圆光栅。如图2.8，长光栅用于直线位移测量，也称为直线光栅，圆光栅用于角位移测量。光栅传感器按光线路径又可分为透射光栅传感器和反射光栅传感器。

  现以直线型透射光栅位移传感器为例进行介绍。
（1）光栅传感器的组成和结构
   光栅传感器由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成，图2.9所示的是垂直入射光栅传感器的组成。

   图2.10所示的是直线型透射光栅，它是在镀有铝箔的光学玻璃上均匀地刻上许多明暗相间、宽度相同的透光线、这些透光线称为栅线。设栅线宽为a,线缝宽为b,W=a+b,称为光栅节距(栅距)。通常，a=b=W/2,也可刻成a：b=1,1:0.9,目前常用的光栅每毫米刻成10,25,100,250线。

   通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上，如工作台或丝杆上。光栅读数读数头装装在机床的固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。
（2） 直线型透射光槽位移传感器的工作原理
在直线型透射光栅中，把标尺光栅和指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带：在两栅线刻线错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。如图2.11所示，条纹2.11所示，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，用来接收莫尔条纹信息。

   当标尺光栅和指示光栅与栅线垂直的方向做相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向做相对移动（两则的运动方向互相垂直）。由于光栅的遮光作用，透光光栅的光强度随莫尔条纹的移动而变化，变化规律呈正弦规律变化，变化曲线如图2.12所示，光栅移动一个栅距，光强变化一个周期，光敏元件上产生的电信号也变化一个周期。

    直线型透射光栅传感器的基本工作原理是利用莫尔条纹现象来进行测量的。
莫尔条纹有如下特征：
    1） 运动对应关系 莫尔条纹的移动方向和移动量与主光栅相对于指示光栅的位移方向和位移量有着严格的对应关系。
    当两光栅沿着栅线垂直的方向做相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向做相对移动（两种的运动方向互相垂直）。光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动，详见表2.2所例。

    光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移动一个栅距L。通过测量莫尔条纹的数目，即可得出光栅的位移量。
    2)位移放大作用  当两光栅尺沿与刻线垂直方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动（沿刻线夹角θ的平分线方向移动）。光栅移动一个栅距W，莫尔条纹恰好移动一个栅距B，几者的关系如图2.11（b)所示，又图可知：

   式中  B-莫尔条纹间距：
    W-光栅栅距：
    θ—两光栅刻线夹角，弧度（rad）
  从式（2.3）可得，θ越小，B就越大，相当于把微小的栅距扩大了1/θ倍。例如，对25线/mm长光栅而言，W=0.04mm，若θ=0.016rad，则B=2.5mm。此放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。值得注意的是，莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。
   2） 均化误差的作用  莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀、断裂等引起的误差。
   综上所述，利用光栅传感器进行测量时，当光栅移动了x,莫尔条纹移过的条数与光栅移过的刻线数相等。由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别，产生呈正弦规律变化的电流信号。在数控机床上，通过特定电路把光敏元件的输出正弦电流信号转换成脉冲信号，根据计算器累计脉冲的个数就能算出光栅位移x.
   （3） 细分和辩向技术
   1) 细分技术  采用细分技术可以在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越贵）的情况下提高光栅的分辨力。由前面的分析可知，当标尺光栅和指示光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条纹信号变化一个周期，光敏元件的输出变化一个电周期。此时，光栅的分辨力为一个W。为了能分辨出比栅距W更小的位移量，必须采用细分电路。细分后，可使莫尔条纹信号变化的一个周期内输出若干个计数脉冲，以减小脉冲当量（即单位脉冲的位移量）。若一个周期内发出n个脉冲，则光栅分辨力可提高n倍。例如，100线光栅W=0.01mm。若n=4,则分辨力可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后，莫尔条纹信号变化一个周期内输出计数脉冲的个数增加理科n倍，因此也称之为n倍频。通常采用的细分方法有四倍频、十六倍频法。
   2） 辩向原理 在实际应用中，如只安装一套光电元件，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，这样无法分辨移动的方向。因此需要设置辩向电路。通常采用的方法是莫尔条纹移动的方向上相距1/4条纹间距的位置安放两个光敏元件，由于莫尔条纹通过广电元件的时间不同，从两个光敏元件上得到两个信号将由π/2的相差，从信号的超前与滞后取决于光栅的移动方向。这样，两信号经过放大整形、逻辑辩向电路等，就可判别它们的超前、滞后，从而判别了数控机床移动部件的运动方向。网络分析仪
  （4） 光栅位移传感器在数控机床中的应用
    在现代数控机床中，光栅用于位置检测并作为位置反馈用于位置控制，图2.13为位置控制框图。由控制系统生成的控制指令P，要求工作台的移动到规定位置。工作台移动过程中，光栅不断检测工作台的实际位置Pf,并进行反馈，同时与位置指令进行比较Pe=Pr-pf,形成pf=Pr时，则Pe=0,表示工作台已经达到指令位置，伺服电动机停转，工作台准确地停止在指令位置上。本文由北京海洋仪器提供，www.hyxyyq.com