第八章光栅传感器与应用8-1

公制/英制转换 绝对/相对转换 线性误差补偿 正反方向计算 归零 插值补偿 到达目标值停机 PCD圆周分孔 200组零位记忆 电蚀深度目标值显示 实时工作位置显示 掉电记忆
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光栅数显表（续）
设定按键
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安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
防护罩内为直线光栅
按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光 栅。
物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析 和光波长等量的测量。
计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、 加速度、振动等物现量。
计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制 作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光 栅。
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光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
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莫尔条纹演示
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莫尔条纹的主要特性如下
➢ 对应关系： 莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对位移 量和位移方向有着严格的对应关系。光栅传感器在 测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判 定光栅的位移量和位移方向。
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莫尔条纹的主要特性如下
➢ 放大作用 当光栅每移动一个光栅栅
2）辨向原理与辨向电路
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辨向原理及辨向电路
为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电 信号。 在相隔BH/4间距的位置上，放置两个 光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信 号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交 流分量），经过整形后得两个方波信号u1′和 u2′。
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辨向原理及辨向电路
细分后 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。
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8.4 光栅传感器的应用
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为光栅设计的专用数据转接器 （光栅计数卡）
内部包含以下电路：放大、整形、 细分、辨向、报警、阻抗变换等。
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Hale Waihona Puke 为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）
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莫尔条纹光学放大作用
举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与
指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m
（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
可移动电缆
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光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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反射式光栅
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透射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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8－1 莫尔条纹原理
光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多明暗
相间、等间距分布的细小条纹（又 称为刻线），这就是光栅。图中a为 栅线的宽度（不透光），b为栅线间 宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅 距（也称光栅常数）。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25、50、 100、125、250条线条。
常用的细分方法有直接倍频细分法、电阻链细分、 鉴相法细分法等。
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细分技术
目的：提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。 细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化
周期内, 发出n脉冲, 每个脉冲代表原来栅距的 1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了n倍, 因此 也称之为n倍频。
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脉冲细分
细分前 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 脉冲的频率提高了4
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长光栅
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长光栅
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圆光栅
刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用 来测量角度或角位移。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向 光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另 一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心 的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。
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辨向原理及辨向电路
u2′的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移 动方向时，u1′所产生的脉冲输出。 这样就可以根据运动 方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入 可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。
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细分技术
如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整 数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1μm，势必要求 每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。 如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。
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作业 P149:2、3、5
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休息一下
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功能同上页
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光栅在机床上的安装位置 （2个自由度）
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光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
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光栅在机床上 的安装位置
（3个自由度） （续）
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2自由度光栅数显表 X位移显示
Z（Y）位移显示
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3自由度光栅数显表
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光栅数显表（续）
三座标数显表
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SDS8-3E 光栅数显箱功能:
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计量光栅的组成
计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅 读数头、光栅数显表两大部分。
光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量） 转换成响应的电信号
光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的 电子系统。
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光电转换装置（光栅读数头）
光电转换装置（光栅读数头）－－主要由主光栅、指示光栅、 光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范 围。指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距， 使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 主光栅一 般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决 于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。
由于光栅的遮光作用， 透过光栅 的光强随莫尔条纹的移动而变化， 变化规律接近于一直流信号和一 交流信号的叠加。 固定在指示光 栅一侧的光电转换元件的输出， 可以用光栅位移量x的正弦函数 表示， 如图所示。只要测量波形 变化的周期数N（等于莫尔条纹 移动数）就可知道光栅的位移量 x，其数学表达式为 x=N*W
当光栅沿A方向移动时，u1′经微分电路后产生的 脉冲, 正好发生在u2′的“1”电平时，从而经Y1输 出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生的 脉冲，则与u2′的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞， 无脉冲输出。
在光栅沿－A方向移动时，u1′的微分脉冲发生在 u2′为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1′的 反相微分脉冲则发生在u2′ 的“1”电平时， 与门 Y2输出一个计数脉冲
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莫尔条纹的形成
把两块栅距相等的光栅（光栅1、 光栅2）叠合在一起，中间留有很小 的间隙，并使两者的栅线之间形成一 个很小的夹角θ，这样就可以看到在 近于垂直栅线方向上出现明暗相间的 条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d 线上，两块光栅的栅线重合，透光面 积最大， 形成条纹的亮带， 它是由 一系列四棱形图案构成的；在f - f线 上，两块光栅的栅线错开，形成条纹 的暗带，它是由一些黑色叉线图案组 成的。因此莫尔条纹的形成是由两块 光栅的遮光和透光效应形成的。
距W时， 莫尔条纹也跟着移 动一个条纹宽度BH。莫尔条 纹的间距BH与两光栅线纹夹 角θ之间的关系为
θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。 例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W 的573倍， 这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有 位移放大作用， 从而提高了测量的灵敏度。
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莫尔条纹的主要特性如下
➢ 平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的
刻划误差有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差 或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能 在很大程度上消除短周期误差的影响。
例W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2, 在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条 刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。
第八章 光栅传感器
光栅传感器利用光栅的衍射现象，把 光栅应用于光谱分析、测定光波的波长等 方面。
光栅是一种在基体上有等间距均匀分 布刻线的光学元件，用于测量的光栅称为 计量光栅。
莫尔条纹现象是光栅式传感器进行测 量的基础。
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光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线 均匀相间排列构成的光电器件。
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莫尔条纹的种类
➢ 长光栅的莫尔条纹 1 横向莫尔条纹 W1=W2=W,
2 光闸莫尔条纹 W1=W2=W,且
➢ 圆光栅的莫尔条纹 1 径向光栅莫尔条纹：分为圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔 条纹 2 切向光栅莫尔条纹
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8－2 光栅式传感器
光栅－－在玻璃（或金属）上进行刻画，可得到一系列密集的 刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。
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辨向原理及辨向电路
1）为什么要辨向
当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在 一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗 交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数 脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确 测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量 电路中加入辨向电路。
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辨向原理及辨向电路
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光电转换装置（光栅读数头）
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光电转换装置（光栅读数头）
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光电转换装置（光栅读数头）
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光栅式传感器－－光栅读数头