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天津工业大学 * 4.1 光栅的种类 按形状: 长光栅(直线光栅):检测线位移 圆光栅:测量角位移 直线光栅按制作原理: 玻璃透射光栅 金属反射光栅 天津工业大学 * 直线光栅 玻璃透射光栅:是在玻璃的表面上涂上一层均匀的感光 材料或金属镀膜,用照相腐蚀等方法制成透明与不透 明间隔相等的线纹。 特点: 光源可采用垂直入射,光电元件可直接接受光信号,因此信号幅度大,读数头结构比较简单; 每毫米上线纹数多,一般为100、125、250条/mm,经过电路细分,可做到微米级的分辨率。 天津工业大学 * 金属反射光栅:在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或 用钻石刀刻划制成的光栅线纹;常用的线纹数为4、10、 25、40、50条/mm,分辨率低。 特点: 标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致; 标尺光栅的安装和调整比较方便; 安装面积较小; 易于接长或制成整根的钢带长光栅; 不易碰碎。 天津工业大学 * 圆光栅 在玻璃圆盘外环端面上,做成黑白相间、呈辐射状条纹,相互间夹角(栅距角)相等。 六十进制: 如圆周内的线纹数为:10800,21600,32400,64800等 十进制: 如圆周内的线纹数为:1000,2500,5000等; 二进制: 如圆周内的线纹数为:512,1024,2048等。 天津工业大学 * 4.2 光栅的结构与测量原理 标尺光栅、光栅读数头 标尺光栅与行程等长,通常光栅长度为1m,行程大于1m时,需要将光栅接长。 组成: 安装: 标尺光栅一般安装在机床活动部件上(如工作台上或丝杠上); 光栅读数头安装在机床固定部件上(如机床底座上);指示光栅装在光栅读数头中。 (以玻璃透射式直线光栅为例) 光栅的结构 天津工业大学 * 天津工业大学 * 天津工业大学 * 光栅读数头组成: 光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。 作用:将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。 常见结构按光路分: 分光读数头 垂直入射读数头 反射读数头 分光读数头 垂直入射读数头 反射读数头 天津工业大学 * 两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角θ、刻划面平行且有一个很小间隙( 一般0.05mm,0.1mm) 在光源照射下,在与两光栅线纹角θ的平分线相垂直的方向上,形成明暗相间条纹——莫尔条纹(横向莫尔条纹),两条亮(暗)纹间的距离称莫尔条纹宽度w 。 光栅的基本测量原理 天津工业大学 * 天津工业大学 * (1)光学放大作用 莫尔条纹特性: 放大比k为: 若d=0.01mm,θ=0.01rad,则 w=1mm,k=100 天津工业大学 * (2)均化误差作用 莫尔条纹→ 大量光栅线纹形成→ 误差平均效应→ 克服个别/局部误差→ 提高精度 在一个栅距d内,光电元件所检测的光强变化为正弦(或余弦)变化。 (3)莫尔条纹移动与栅距移动成比例(同步性) 光栅移动一栅距d → 莫尔条纹移动一个间距w 光栅移动方向相反,莫尔条纹移动方向也相反。 天津工业大学 * 4.3 光栅测量系统 光栅移动,莫尔条纹亮暗交替变化,光强度分布近似余弦曲线,由光电元件变为同频率电压信号,经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲,就代表移动了一个栅距,通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。 天津工业大学 * 一个光电元件→只能计数,无法判断移动方向 在莫尔条纹的宽度内,放置四个光电元件,每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲,一个脉冲代表移动了1/4栅距的位移,分辨精度可提高四倍,这就是四倍频方案。 增加线纹密度,但制造较困难,成本高。采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度。 天津工业大学 * 天津工业大学 * 鉴向倍频电路作用:辨向、细分,提高光栅的分辨力 莫尔条纹原1个脉冲信号:0°、90°、180°、270°都有脉冲输出,一个周期内送出4个脉冲。分辨力提高4倍。 分辨率取决于光栅栅距d 和鉴向倍频的倍数n,即:分辨率=d/n。 例:光栅线纹密度50条/mm(栅距20μm),经4倍频处理后,线纹密度提高到200条/mm,工作台每移动5μm送出一个脉冲,即分辨力为5μm,提高4倍。 四倍频鉴向电路工作原理:所谓四倍频,就是采用四个光电元件和四个狭缝,使其与莫尔条纹相重合的位置相差1/4栅距。这样,四个光电元件输出的正弦信号彼此之间相差90°,经过整形和逻辑处理后即可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。 天津工业大学 * 思考: 用光栅测量位移,光栅发出22500脉冲,测得距离为112.5mm,光栅的分辨率是多少? 天津工业大学 * 5 编码器 编码器( 码盘):旋
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