光栅尺原理图 - 360文档中心

(整理)光栅尺工作原理

1 光栅尺工作原理光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。

经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。

二、工作原理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。

图4-9是其工作原理图。

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叉。

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，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，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，无需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。

光栅尺原理演示幻灯片

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两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为W，则
B 因为θ很小，则
2 s in
2
BW
由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。
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莫尔条纹具有如下特点：
（1）由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ，由于θ很小（小于10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01㎜，θ=0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000 倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。
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（2）起均化误差作用莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10㎜，当 W=0.01㎜时， 10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。
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（3）莫尔条纹的变化规律长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。
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3. 光栅的辨向与信号处理
在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号;
经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。
为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件

光栅尺、球栅尺、磁栅尺、优缺点对比

光栅尺、球栅尺、磁栅尺优缺点比较机床直线编码器（机床数显）用做机床位移测量大意分为三种：光栅尺、球栅尺、磁栅尺、下面我们详细了解这三种数显*结构*精度对比*产品优点*缺点，方便大家了解三种数显。

一、从每种产品外观结构：1、光栅尺：基于光学玻璃刻线为测量基准，把光学玻璃安装到铝合金的尺身里面和读数头等配件组成光栅尺，铝合金半密封设计，如下图：2、球栅尺：基于球细分为测量基准，由合金的尺身和读数头等配件组成球栅尺，全密封设计，如下图：3、磁栅尺：基于磁带刻线（刻录位置）原理，磁性材料组成尺身和读数头等配件组成磁栅尺，开放式或半密封设计，如图下：从外观结构上：较好是球栅尺是全封闭，合金尺身硬度高，坚固耐用。

第二是光栅尺半封闭，光学玻璃测量基准，铝合金尺身，坚固度一般，第三是磁栅尺半封闭和开放式，采用3m胶粘贴，可选铝合金底座，坚固度差。

二、精度对比：下面我们以杭州德普光栅尺、球栅尺、磁栅尺，统一是分辨率0.005mm的尺为测试对像，对产品定位精度、绝对精度进行测试，试验设备为杭州德普激光测长平台：2、绝对精度：从0点开始到标准长度的误差，叫绝对精度，用3米光栅尺、球栅尺、从定位精度，和绝对精度看你希望选择加工产品能达到的精度来选择你需要的数显产品。

三、三种数显优点、缺点：光栅尺：1、光栅尺：光栅采用光学玻璃为测量基准，所以精度较高，以上试验也验证其精度好。

2、光栅尺采用半密封设计，有一定防水、尘、铁屑能力，使用过程中如水、油、铁屑、等进入会加速光栅尺损坏（可以查看德普在这方面试验的视频）。

3、光栅尺销售价格低，安装可选设备很多，应用广泛。

4、使用寿命：跟据所安装种类机床不同，和使用环境不同整体使用寿命1-5年左右，使用环境好，无水、油、铁屑、震动小使用寿命就长，如机床有油水、铁屑灰尘多震动大设产品寿命就短。

球栅尺：1、球栅尺精度好，适应大部份的机床，以上试验也验证其精度好。

2、球栅尺采用全密封设计，合金尺身，有防水、尘、铁屑、耐震动等特点，不受环影响所以使用寿命长（可以看德普在这方面试验视频）。

光栅尺工作原理

光栅尺工作原理
光栅尺是一种用于测量物体位置和运动的精密测量仪器。

它由一个光栅尺头和
一个读取头组成。

光栅尺头包含一个透明的玻璃或金属片，上面刻有一系列平行的光栅线。

读取头则包含一个光源和一个光电传感器。

光栅尺的工作原理基于光的干涉原理。

当光线照射到光栅尺头上时，光栅线会
将光线分成多个光束，形成干涉条纹。

这些干涉条纹的间距与光栅线的间距相对应。

读取头中的光源会发出一束光线，照射到光栅尺头上。

光线经过光栅尺头后，
会被分成多个光束，并形成干涉条纹。

这些干涉条纹会被光电传感器接收到。

光电传感器是一种能够将光信号转换成电信号的器件。

当光线照射到光电传感
器上时，光电传感器会产生相应的电信号。

这个电信号的幅度和频率与干涉条纹的间距有关。

读取头中的光电传感器会将接收到的电信号转换成数字信号，并通过信号处理
电路进行处理。

信号处理电路会分析电信号的幅度和频率，从而确定干涉条纹的间距。

通过测量干涉条纹的间距，就可以计算出物体的位置和运动。

光栅尺具有高精度和高分辨率的特点，可以实现微米级的测量精度。

它广泛应
用于机床、数控机械、半导体设备等领域，用于测量物体的位置、位移、速度等参数。

总结起来，光栅尺的工作原理是利用光的干涉原理，通过光栅尺头将光线分成
多个光束，并形成干涉条纹。

读取头中的光电传感器接收到干涉条纹后，将其转换成电信号，并通过信号处理电路进行处理，从而实现对物体位置和运动的测量。

光栅尺具有高精度和高分辨率的特点，在工业领域有着广泛的应用。

光栅尺的工作原理

光栅尺工作原理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。

图4-9是其工作原理图。

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叉。

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，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，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，无需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个观察窗口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个在相位上依次超前或滞后(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)。

光栅尺原理课件

数字化光栅尺
数字化光栅尺集成了数字信号处理技术，提供更高的精度和稳定性。
微型化光栅尺
微型化光栅尺体积更小，适用于亚微米级别的精密测量。
无线光栅尺
无线光栅尺消除了传统光栅尺的连接线束，提供更灵活的安装和使用方式。
总结和展望
通过本课件的学习，您应该对光栅尺的定义、组成、工作原理、应用领域、优点和局限性有了更全面的了解。未来，光栅尺将在精密测量领域发挥越来越重要的作用。
光栅尺原理课件
欢迎来到光栅尺原理课件。在本课件中，我们将探讨光栅尺的定义、组成、工作原理、应用领域、优点和局限性以及发展趋势。让我们一起开始光栅尺的奇妙之旅吧！
光栅尺的定义
光栅尺是一种精密测量工具，用于测量物体的位移或位置。它由一系列等距的凹槽和凸槽组成，可以通过材料的光学特性来实现测量。
光栅尺的组成
3 科学研究
光栅尺在物理学、天文学等科研领域中被用于测量精确的位移和位置。
4 医疗设备
光栅尺用于医疗设备中，如CT扫描仪和X射线机，以准确测量和定位。
光栅尺的优点和局限性
优点
• 高精度测量 • 快速响应 • 适用于恶劣环境
局限性
• 对外部光干扰敏感 • 局限于线性测量 • 成本较高
光栅尺的发展趋势
2
解读光信号
光电传感器接收到反射或透过物体后的光信号，并将其转换为电信号。
3
计算位移
通过分析光信号的变化，可以计算出被测物体相对于光栅尺的位移。源自光栅尺的应用领域1 机械制造
光栅尺被广泛应用于机床和自动化生产线等领域，用于实时测量和控制位置。
2 半导体制造
光栅尺用于测量和控制半导体制造过程中的关键尺寸，确保产品质量。

6.光栅尺的结构.

光栅尺的结构
一光栅：在透明的光学玻璃上刻制平行且间距相等的密集线纹，利
用光的透射现象形成光栅。
条纹
放大
光学玻璃
b
a W
a :刻线宽度 b :相邻两刻线间隙的宽度 w :光栅的栅距 w=a+b
主光栅和指示光栅线纹的栅距相同。
条纹密度有：25、50、100、250线/mm

主光栅
条纹密度越高，检测精度越高;
光栅副
指示光栅
光栅尺按装时，主光栅和扫描头：一个按装在固定部件上，另一个就按装在机床的移动部件上；
光栅传感器的作用：当伺服电机通过丝杠带动工作台移动时，主光栅和扫描头发生相对位移，扫描头开始读数，并将工作台移动的实际位移量转换为电脉冲的信号，反馈给CNC，形成位置闭环控制。
光栅尺的结构
一光栅传感器（光栅尺）是一种高精度的直线位移传感器；
组成：照明系统、光栅副
主光栅
（主光栅和指示光栅）、光电
接收元件及信号处理电路。
扫描头（指示光栅）
CNC
电缆
光
（主光栅）
栅
短光栅副长
检
红色：主光栅；
测装
其余：扫描头；
置
的
信号处理电路
组
成
扫描头内包含有照明系统、指示光栅、光电接收元件及信号处理电路。

光栅尺原理

光栅尺有"S"和"M"两种规格,两者区别是两端固定处不一样,而且有长短之分.光栅尺有50;100;150;200;300及400(MM)光栅尺主要功能是靠尺子上的读头读出数据给予数显器或软件里LE 光栅尺是精密的光栅测量系统,适用于大量程的精密测量. 尤其适用于测量, 医疗设备,精密现代化加工设备. 数控加工中心，机床，磨床，铣床，自动卸货机，金属板压制和焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量机器，线性产品, 直线马达, 直线导轨定位等。

LE 光栅尺将直线的位移变化转换为脉冲信号. 脉冲信号的数量对应移动的距离，脉冲频率则反应了运动速度。

LE 本体部分由5只精密轴承，玻璃光栅，LED 光照系统，铝合金外壳组成。

LE输出信号为矩形方波。

A，B相相差90°的两路波形，能够指示出移动距离以及方向。

零位信号间距50mm 。

可选购RS422长线输出。

光栅尺原理:光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。

在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。

光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。

如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。

光栅尺其实起到的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用,在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差,以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用.其实就象人眼睛看到我切割偏没偏的作用.然后可以给手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准.相当于眼睛.一、引言目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图如图1所示。

随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。