海德漢HEIDENHAIN光柵尺的工作原理

海德漢HEIDENHAIN光柵尺的工作原理

概念

光柵尺，也稱(chēng)為光柵尺位移傳感器（光柵尺傳感器），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應用于數控機床的閉環(huán)伺服系統中，可用作直線(xiàn)位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點(diǎn)。例如，在數控機床中常用于對刀具和工件的坐標進(jìn)行檢測，來(lái)觀(guān)察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補償刀具的運動(dòng)誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。

工作原理

莫爾條紋

以透射光柵為例，當指示光柵上的線(xiàn)紋和標尺光柵上的線(xiàn)紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱(chēng)為“莫爾條紋” (右圖所示)。嚴格地說(shuō)，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線(xiàn)紋夾角的平分線(xiàn)相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱(chēng)為莫爾條紋的寬度，以W表示。

莫爾條紋

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。

莫爾條紋具有以下特征：

(1)莫爾條紋的變化規律

兩片光柵相對移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規律近似正(余)弦函數，變化周期數與光柵相對位移的柵距數同步。

(2)放大作用

在兩光柵柵線(xiàn)夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線(xiàn)角θ之間有下列關(guān)系。式中，θ的單位為rad，W的單位為mm。由于傾角很小，sinθ很小，則

W=ω /θ

若ω =0．01mm，θ=0.01rad，則上式可得W=1，即光柵放大了100倍。

(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線(xiàn)的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線(xiàn)紋，這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。

檢測與數據處理

電子細分與判向法

光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱(chēng)量進(jìn)行測量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統分辨率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細分，光柵尺傳感器系統多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上就會(huì )產(chǎn)生莫爾條紋，隨著(zhù)光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個(gè)數的測量。

在一個(gè)莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現電子細分與判向功能。例如，柵線(xiàn)為50線(xiàn)對/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辨率為5μm的計數脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運放構成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過(guò)對方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以等到光柵尺的移動(dòng)方向。通過(guò)對方波脈沖進(jìn)行計數，可以得到光柵尺的位移和速度 。