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光柵測(cè)量原理及計(jì)量光柵分類

光柵測(cè)量原理及計(jì)量光柵分類

光柵的種類很多，其中以計(jì)量光柵的技術(shù)發(fā)展得最迅速和最成熟。計(jì)量光柵通常用于數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，用來檢測(cè)高精度直線位移和角位移，是數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多的一種檢測(cè)裝置。光柵傳感器的空間分辨率一般可達(dá)1μm左右，單根光柵的長(zhǎng)度可達(dá)600mm以上，主光柵能夠進(jìn)行拼接，測(cè)量范圍可達(dá)幾米以上。如圖所示光柵由4光源，透鏡，2指示光柵，3光電元件，驅(qū)動(dòng)電路和1標(biāo)尺光柵組成



光柵的測(cè)量原理

當(dāng)兩光柵面相對(duì)疊合，中間留有很小的間隙，并使兩者柵線之間保持很小夾角θ，透射光就會(huì)形成明暗相間的莫爾條紋。光柵主要是利用莫爾條紋實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。

莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：



（1）平均效應(yīng) 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除短周期誤差的影響。光柵的工作長(zhǎng)度越大，參加工作的刻線越多，這一作用就越顯著。



（2）放大作用 由于θ角很小，從式(1-4)可明顯看出光柵有放大作用，放大比為：K≈1 /θ



（3）對(duì)應(yīng)關(guān)系 兩光柵沿與柵線垂直的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿柵線方向移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距P，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距W。光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。利用這種嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光電元件接收到的條紋數(shù)目，就可以知道主光柵所移過的位移值。　　　

　



在實(shí)際應(yīng)用中，為了判別主光柵移動(dòng)的方向以及對(duì)光柵的柵距進(jìn)行細(xì)分等，常采用四極硅光電池接收四相信號(hào)。四極硅光電池是在一整塊硅基片上，蝕刻出四個(gè)絕緣的、等面積、等距離分布的光電池。裝配時(shí)，通過調(diào)整兩光柵間的夾角θ，可使莫爾條紋的寬度B恰好等于四極硅光電池的寬度S。相鄰光電元件的間距等于B/4。它們的位置就相當(dāng)于把莫爾條紋的寬度在空間上均勻地分成了四部分，因而相應(yīng)的光電信號(hào)在相位上就自然地依次相差90°，即四極硅光電池中的各片順次發(fā)出sin、cos、－sin、－cos四相信號(hào)。這樣每當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B，每個(gè)光電元件的電信號(hào)就變化了2π。一般地說，光柵移動(dòng)了距離x，莫爾條紋就移動(dòng)了x/W個(gè)條紋，通過計(jì)數(shù)器記錄莫爾條紋的數(shù)目并對(duì)小于一個(gè)周期的小數(shù)部分進(jìn)行細(xì)分，即可測(cè)得光柵的位移量。