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光栅的结构及工作原理

光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅

读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，

光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相

对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光

栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅

和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。

1．光栅尺的构造和种类

标尺光栅和指示光栅通称为光栅尺，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹

的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间

距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条

纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为

25,50,100,125,250条／mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768

条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，

其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。

2．光栅读数头

图4-7是光栅读数头的构成图，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动

线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透

镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信

号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的

电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容

易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号

在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。

驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。

图4-7光栅读镜头

根据不同的要求，读数头内常安装2个或4个光敏元件。

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光栅读数头的结构形式，除图4-7的垂直入射式之外，按光路分，常见的还有分

光读数头、反射读数头和镜像读数头等。图4-8(a)、(b)、(c)分别给出了它们

的结构原理图，图中Q表示光源，L表示透镜，G表示光栅尺，P表示光敏元件，

表示棱镜。

图4-8光栅读镜头结构原理图

（a）分光读镜头（b）反射读镜头（c）镜像读镜头

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光栅尺测量系统如图2所示，它由光源1、透镜2、标尺光栅3、指示光栅4、光

敏元件5和信号处理电路组成。信号处理电路又具有放大、整形和鉴向倍频功能。

通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指

示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在

机床上。这个部件称为光栅读头，其作用是将莫尔条纹的信号转换成所需的电

脉冲信号。当标尺光栅随工作台一起移动时，光源通过聚光镜后，透过标尺光栅

和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹(光信号)；光敏元件把光信号转换成电信

号，然后通过信号处理电路的放大、整形、鉴相倍频后输出或显示。为了测量转

向，至少要放置两个光敏元件，两者相距1／4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹

移动时，会得到两路信号相位相差π／2的波形；将输出信号送入鉴向电路，即

可判断移动方向。

图2光栅尺测量系统

l一光源；2一透镜；3一标尺光栅；4一指示光栅；5一光敏元件

为了提高光栅的分辨率，通常还用4