光栅测量原理及计量光栅分类

光栅测量原理及计量光栅分类

光栅的种类很多，其中以计量光栅的技术发展得最迅速和最成熟。计量光栅通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测装置。光栅传感器的空间分辨率一般可达1μm左右，单根光栅的长度可达600mm以上，主光栅能够进行拼接，测量范围可达几米以上。如图所示光栅由4光源，透镜，2指示光栅，3光电元件，驱动电路和1标尺光栅组成



光栅的测量原理

当两光栅面相对叠合，中间留有很小的间隙，并使两者栅线之间保持很小夹角θ，透射光就会形成明暗相间的莫尔条纹。光栅主要是利用莫尔条纹实现测量的。

莫尔条纹具有以下特点：



（1）平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响。光栅的工作长度越大，参加工作的刻线越多，这一作用就越显著。



（2）放大作用 由于θ角很小，从式(1-4)可明显看出光栅有放大作用，放大比为：K≈1 /θ



（3）对应关系 两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向移动。两光栅相对移动一个栅距P，莫尔条纹移动一个条纹间距W。光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，就可以知道主光栅所移过的位移值。　　　

　



在实际应用中，为了判别主光栅移动的方向以及对光栅的栅距进行细分等，常采用四极硅光电池接收四相信号。四极硅光电池是在一整块硅基片上，蚀刻出四个绝缘的、等面积、等距离分布的光电池。装配时，通过调整两光栅间的夹角θ，可使莫尔条纹的宽度B恰好等于四极硅光电池的宽度S。相邻光电元件的间距等于B/4。它们的位置就相当于把莫尔条纹的宽度在空间上均匀地分成了四部分，因而相应的光电信号在相位上就自然地依次相差90°，即四极硅光电池中的各片顺次发出sin、cos、－sin、－cos四相信号。这样每当光栅移动一个栅距W，莫尔条纹就移动一个条纹宽度B，每个光电元件的电信号就变化了2π。一般地说，光栅移动了距离x，莫尔条纹就移动了x/W个条纹，通过计数器记录莫尔条纹的数目并对小于一个周期的小数部分进行细分，即可测得光栅的位移量。