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光栅式位移测量 欣欣 机械学院摘要 光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。关键词 光栅 莫尔条纹 辨向 光栅干涉1 引言随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。 传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。2 光栅式位移测量分析2．1光栅测量原理2．1．1光栅的分类和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指示光栅、光电元件三大部分组成。光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。计量光栅的结构图如图2．1所示。2．1．2莫尔条纹 下面以透射式黑白光栅为例来分析光栅测量位移的工作原理。把长短两块光栅重叠放置，但中间留有微小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一很小的夹角p，如图2．2所示。当有光照时，光线就从两块光栅刻线重合处的缝隙透过，形成明亮的条纹，如图2．2中的a-a所示。在两块光栅刻线错开的地方，光线被遮住而不能透过，于是就形成暗的条纹，如图2．2中的b-b所示。这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹，其方向与光栅刻线近似垂直，相邻两明亮条纹之间的距离BH称为莫尔条纹间距。2．1．3光栅测量位移的工作原理 若标尺光栅和指示光栅的刻线密度相同，即光栅栅距d相等，则莫尔条纹的间距见式(2-1)。 由于口角很小，故莫尔条纹间距粕远大于光栅栅距d，即莫尔条纹具有放大作用。测量时，把标尺光栅与被测量对象相联结，使之随其一起运动。当标尺光栅沿着垂至于刻线的方向相对于指示光栅移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距d时，莫尔条纹也相应地欲动一个莫尔条纹间距粕。因此，可以通过莫尔条纹的移动来测量光栅移动的大小和方向。对于一个固定的观测点，其光强随莫尔条纹的移动，亦即随光栅的移动按近似余弦的规律变化，光栅每移动一个栅距，光强变化一个周期。如果在该观测点放置一个光电元件(一般用硅光电池、光敏二极管或三极管)，就可把光强信号转变成按同一规律变化的电信号，即由公式(2．2)所示。 可以看出，在莫尔条纹间距BH的1／4，3／4处信号变化斜率最大，灵敏度最高，故通常都以这些点作为观测点。 通过整形电路，把正弦信号转变成方波脉冲信号，每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲数Ⅳ就与光栅移动过的栅距数相对应，因而位移X=Nd。2．2辨向电路 对于一个固定的观测点，不论光栅向哪个方向运动，光照强度都只是作明暗交替变化，光敏元件总是输出同一规律的变化的电信号，因此仅依该信号是无法判别光栅移动的方向的。为了辨别方向，通常在相距B／4的位置安放两个光敏元件l和2，如图2．3所示，从而获得相位相差为900的两个币弦信号。然后把这两个电压信号U1和U2输入到图24所示的辨向电路进行处理。 当标尺光栅向左移动，莫尔条纹向上移动时，光敏元件l和2分别输出图2-5(a)所示的电压信号