光栅位置检测装置

　　光栅作为检测装置，已历史长久，可用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。
　　在数控机床进给伺服系统中，被用来检测直线位移、角位移和移动速度。用长光栅（或称直线光栅）来测量直线位移，用圆光栅来测量角位移。将激光测长技术用于刻制光栅，可以制造出精度很高的光栅尺，因而使光栅检测的分辨率与精度有了很大的提高，光栅检测的分辨率可达微米级，通过细分电路细分可达0.1μm，甚至更高的水平。
1.光栅检测装置的结构
　　光栅检测装置如图1(a)所示，由光源1，透镜2，指示光栅3，光电元件4，驱动电路5以及标尺光栅6组成。前5个元器件安装在同一个支架上，构成光栅读数头，它固定在执行部件的固定零件上，标尺光栅则安装在执行部件的被测移动零件上。标尺光栅与指示光栅的尺面应相互平行，并保有0.05～0.1mm的间隙。执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号。

　　　　　
　　　　　　　　　　 图1(a)　光栅检测装置的结构

图1(b) 光栅尺横向莫尔条纹及其参数
　 光栅尺
　　　光栅尺指的是标尺光栅和指示光栅，根据制造方法和光学原理的不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在经磨制的光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。这种光栅的特点是：光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换器（光栅读数头）的结构简单；同时光栅每毫米的线纹数多，如刻线密度为200线/mm时，光栅本身就已经细分到0.005mm，从而减轻了电子线路的负担。其缺点是：玻璃易破裂，热胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。反射光栅是用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成，金属反射光栅的特点是：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，增加光栅尺的长度很方便，可用钢带做成长达数米的长光栅。反射光栅安装在机床上所需的面积小，调整也很方便，适应于大位移测量的场所。其缺点是：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每毫米内线纹不宜过多，常用线纹数为4、10、25、40、50。
　　　上述为直线光栅，此外还有测量角位移的圆光栅，圆光栅刻有辐射形的线纹，相互间的夹角相等。根据不同的使用要求，在圆周内线纹的数制也不相同，一般有二进制、十进制和六十进制等三种形式。如一种直径为Ф270mm，360进制的圆光栅，一周内有刻线10,800条。
　　　光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹间的距离称为栅距ω，可根据所需的测量分辨率来确定单位长度上的刻线数目称为线纹密度，常见的线纹密度为每毫米4、10、25、50、100、200、250线。国内机床上一般采用线纹密度为100线/mm、200线/mm的玻璃透射光栅。玻璃透射光栅尺的长度一般都在1～2m，测量长度在2m以内。在位移长度大的重大型机床上只能采用不锈钢带做成的反射光栅。
　 光栅读数头
　　　光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换成脉冲信号输出。图4-16(a)所示的由元器件1～5组成的读数头为垂直入射读数头。此外还有分光读数头、镜像读数头和反射读数头等。
　 莫尔条纹
　　　指示光栅与标尺光栅的节距同为ω，两块光栅的刻线面平行放置，并将指示光栅在其自身平面内倾斜一个很小的角度θ，两块光栅的刻线将会相交，当光源照射时，在线纹相交钝角的平分线方向会出现明暗交替相间的间距相等的条纹，即莫尔条纹，如图4-16(b)所示。原因是由于光的干涉效应，在交点a 线附近，两块光栅的刻线相互重叠，光栅上的透光狭缝互不遮挡，透光最强，形成亮带；在b 线附近，一块光栅不透光部分正好遮盖住另一光栅的透光隙缝，透光最差，形成暗带。相邻两条亮带或暗带之间的距离W 称为莫尔条纹的节距。图4-16(b)所示为莫尔条纹节距W 与光栅节距ω和倾角θ之间的关系。
　　　　　　　

　其中　　　　
　因此　　　　 ，
　由于θ很小，θ单位为rad时，
　　　　　　　，
　故　　　　　
　莫尔条纹有如下特点：
　　 放大作用
　　　 光栅节距虽小，莫尔条纹的节距却有几个毫米，因而莫尔条纹清晰可见，便于测量。
　　 误差均化作用
　　　 莫尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使栅距的节距误差得到平均化。
　　 利用莫尔条纹测量位移
　　　 莫尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，光栅横向移动一个节距，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，或者说在光栅刻线上的某一位置，如图1(b)的a线处，莫尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光电元件的安装与信号检测提供了良好的条件。此外光栅的移动方向与莫尔条纹的移动方向也有固定的关系。如指示光栅相对于标尺光栅逆时针方向转一个小角度＋θ，当标尺光栅右（左）移时，则莫尔条纹下（上）移。相反，指示光栅顺时针方向转一小角度-θ，当标尺光栅右（左）移时，则莫尔条纹上（下）移。根据莫尔条纹的移动方向可以辨别光栅的移动方向。