光柵的工作原理及應(yīng)用

  計量光柵是用于數(shù)控機(jī)床的精密檢測元件，是閉環(huán)系統(tǒng)中另一種用得較多的測量裝置，用作位移或轉(zhuǎn)角的測量，測量精度可達(dá)幾微米。



（一）光柵的種類



在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱為透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為反射光柵，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。



計量光柵分為長光柵（測量直線位移）和圓光柵（測量角位移），而每一種又根據(jù)其用途和材質(zhì)的不同分為多種。如可將長光柵分為玻璃透射光柵和金屬反射光柵。



由于激光技術(shù)的發(fā)展，光柵制作精度可以提高，再通過細(xì)分電路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。 



（二）光柵的工作原理

　



光柵位置檢測裝置由光源，



長光柵（標(biāo)尺光柵），短光柵



（指示光柵）和光電元件等組



成，如圖4-12所示。



根據(jù)光柵的工作原理分為透射直線式和莫爾條紋式光柵兩類。 



  透射直線式光柵原理圖



1．透射直線式光柵



透射直線式光柵的結(jié)構(gòu)如圖4-13所示，它是用光電元件把兩塊光柵移動時產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓�的方式。長光柵裝在機(jī)床移動部件上，稱為標(biāo)尺光柵；短光柵裝在機(jī)床固定部件上，稱為指示光柵。標(biāo)尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對線紋垂直移動時，光源通過標(biāo)尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上，若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接受到的光通量最小。若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋完全重合，光電元件接受到的光通量最大。因此，標(biāo)尺光柵移動過程中，光電元件接受到的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字以顯示位移量。為了辨別運(yùn)動方向，指示光柵的線紋錯開1/4柵距，并通過鑒向線路進(jìn)行辨別。



由于這種光柵只能透過透明間隔，所以光強(qiáng)度較弱，脈沖信號不強(qiáng)，往往在光柵線較粗的場合使用。



2．莫爾條紋式光柵 



用得較普遍的是莫爾條紋式光柵，是將柵距相同的標(biāo)尺光柵與指示光柵互相平行的疊放并保持一定的間隙（0.1㎜），然后將指示光柵在自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個很小的角度θ，那么兩塊光柵尺上的刻線交叉，在光源的照射下，相交點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，透明區(qū)域變大，擋光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，透光的累積使這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距相交點(diǎn)越遠(yuǎn)的區(qū)域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線占據(jù)的空間增大，因而擋光面積增大，擋光效應(yīng)增強(qiáng)，只有較

　



少的光線透過光柵而使



這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。如



圖4-14所示，此明暗相



間條紋稱之為莫爾條紋，



其光強(qiáng)度分布近似于正



弦波形。如果將指示光



柵沿標(biāo)尺光柵長度方向平行的移動，則可看到莫爾條紋也跟著移動，但移動



方向與指示光柵移動方向垂直。當(dāng)指示光柵移動一條刻線時，莫爾條紋也正好移過一個條紋。



五、磁尺



    磁尺又稱為磁柵，是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件�？捎糜谥本�和轉(zhuǎn)角的測量，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、復(fù)制簡單及安裝方便等，且具有較好的穩(wěn)定性，常用在油污、粉塵較多的場合。因此，在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測量機(jī)上得到了廣泛使用。



圖4-15  磁尺結(jié)構(gòu)與工作原理

文本框: 圖4-15  磁尺結(jié)構(gòu)與工作原理



 



磁尺由磁性標(biāo)尺，磁頭和檢

　



測電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-15所



示。磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料的



基體上，采用涂敷，化學(xué)沉積或



電鍍上一層很薄的磁性材料，然



后用錄磁的方法使敷層磁化成相



等節(jié)距周期變化的磁化信號。磁化信號可以是脈沖，也可以為正弦波或飽和磁波。磁化信號的節(jié)距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等幾種。



磁頭是進(jìn)行磁—電轉(zhuǎn)換的器件，它把反映位置的磁信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號輸送給檢測電路。



磁尺是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測量基準(zhǔn)。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號轉(zhuǎn)化成電信號，再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。