光栅位置检测系统及原理
光栅位置检测系统及原理
2009年10月22日
光栅是利用光的反射、透射和干涉现象制成的一种光电检测装置，有物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线比较细密，两刻线之间距离(称为栅距) 在0．002~0.005mm之间，它通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗，栅距在o ．004～0.025mm 之间，在数字检测系统中，通常用于高精度位移的检测，是数控系统中应用较多的一种检测装置 尤其是在闭环伺服系统中。
光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅、短光栅(指示光栅) 和光电元件等组成（见图3—23) 。
按照不同的分类方法，计量光栅可分为直线光栅和圆形光栅；透射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。本节仅介绍直线光栅。
根据光栅的工作原理分直线式透射光栅和莫尔条纹式光栅两类。
一。直线式透射光栅
在玻璃表面刻上透明和不透明的间隔相等的线纹(即黑白相问的线纹) ，称为透射光栅。其制造工艺为在玻璃表面加感光材料或金属镀膜上刻成光栅线纹，也可采用刻蜡、腐蚀或涂黑工艺。透射光栅的特点是：光源可以采用垂直入射光，光电接收元件可以直接接收信号，信号幅值比较大，信嗓比高，光电转换元件结构简单。同时，透射光栅单位长度上所刻的条纹数比较多，一般可以达到每毫米100条线纹，达到0．01mm 的分辨率，使检测电子线路大大简化。但其长度不能做得太长，目前可达到2m 左右。
如图3—24所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电
流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称之为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称之为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上。若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接收到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接收到
的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1／4栅距，并通过鉴向线路进行判别。
由于这种光栅只能透过单个透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。
二 奠尔条纹式光栅
如果使两片光栅靠近并稍有倾斜时，在和光栅垂直方向上可以看到非常粗大的条纹，这就叫做莫尔条纹。莫尔条纹式光栅实质上是一种增量式编码器，它是通过形成莫尔条纹、光电转换、辨向和细化等环节实现数字计量的。
1．莫尔条纹的形成
如图3—25所示，两块栅距d 相等，黑白宽度相同的光栅，在沿线纹方向上保持一个很小的夹角θ，当它们彼此平行相互接近时，由于遮光效应或光的衍射作用，便在暗纹相交处形成了多条亮带。形成亮带的间距w 与线纹夹角θ的关系为
莫尔条纹垂直于两块光栅线纹夹角θ的平分线，由于θ角很小，所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故称为横向莫尔条纹。当两块光栅沿着垂直于线纹的方向相对移动时，莫尔条纹沿着垂直干线纹的方向移动。移动的方向取决于两块光栅的夹角θ的方向和相对移动的方向。莫尔条纹有以下几个重要特性：
1) 平均效应莫尔条纹是由大量的光栅线纹共同作用产生的，对光栅的线纹误差有平均作用。从而可以在很大程度上消除光栅线纹的制造误差。光栅越长，参加工作的线纹越多，这种平均效应就越大。
2) 对应关系如图3—25所示，当光栅l 向右移时，莫尔条纹也向下移动，即光栅移动一个栅距d ，莫尔条纹移动一个栅距d 。
3) 放大作用由式(3—12) 可知，如果两块光栅的夹角θ很小，则莫尔条纹之间的距离w 将远大于光栅的栅距d ，所以莫尔条纹起到了放大作用。这使得读取莫尔条纹的读数比读取光栅线纹的读数方便得多。如果栅距d=o．01mm ，两块光栅的夹角θ=o.001md，则w=10mm，其放大倍数为1000，因而大大地减轻了检测电子线路的负担。当θ接近于0时，莫尔条纹的宽度w 大于或等于干涉面的宽度。此时，如果两个光栅相对移动，干涉面上看不到明暗相间的条纹，只能看到亮带和
暗带相互交替地出现。这时的莫尔条纹犹如一个闸门，故称为光纹莫尔条纹。按照这种原理制成的光栅检测元件，通常称为光电脉冲发生器。
2．光电转换
光栅检测系统的光电转换转由光栅读数头完成。最基本的光栅读数头由光源、聚光镜、指示尺光栅和硅光电池组成，如图3—26所示。
为了便于说明其工作原理，以光闸莫 尔光栅为例，说明当光栅移动一个栅距 时．其输出波形和两块光栅相互位置变化的关系。如前所述(见图3—25) ，当两块光栅的刻线重合时，透光最多，光电池输出的电压信号最大；当光栅l 向右移动半个栅距时，两块光栅的暗线纹将明线纹遮住，透光近似于0，光电池输出最小；再移动半个栅距，则两块光栅的刻线又重合，光电池输出又达到最大值。这种光栅的遮光作用与光栅的移动距离成线性关系，所以光电池的光接收量也与光栅的移动距离成线性关系，即光电池的输出电压波形也近似于三角形。但这是一种理想的状态，只有在两块光栅的距离为o ，刻线质量极好，而且刻线宽度均匀一致才能达到。实际应用过程中，两块光栅之间必定
有间隙。由于光的衍射作用和光源灯丝宽度的影响，透过光栅l 的光向两侧发散，而不是平等前进，因此就不能达到最亮和最黑的状态。再加上线纹上有毛刺、不平和弯曲等原因，输出波形会被削顶、削底成近
似的正弦波形和一直流分量的叠加，即
式中，d 为栅距；x 为标尺光栅和指示光栅之间的相对位置；u0为直流分量；u1为交流分量的最大值；u 为输出电压。
由此可见，硅光电池上输出电压的大小反映了标尺光栅和指示光栅之间的相对位置关系，实现了光电转换。
三 光栅检测装置
1．光栅读数头
光栅读数头由光源、指示光栅和光电元件组合而成，是光栅与电学系统转换的部件。读数头的结构形式很多，但就光路分，有以下几种：
(1)分光读数头。其原理如图3—27所示，从光源q 发出的光，经透镜l1，照射到光栅g1、g2上，形成莫尔条纹，由透镜l2聚焦，并在焦平面上安置光电元件p 接受莫尔条纹的明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型，光栅刻线截面为锯齿形，光源q 的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的。
这种光栅的栅距较小(o 004ram)，因此两光栅之间的间隙也小，主要用在高精度坐标镗床和精密测量仪器上。
(2)垂直入射读数头。这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的玻璃透射光栅系统，如图3—28所示，从光源e 经透镜l 使光束垂直照射到标尺光栅g1然后通过光栅g2由光电元件p 接收。两块光栅的距离τ根据有效光波的波长和光栅栅距w 决定，即
使用时再作微量调整。
上述光栅只能用于增量式测量方式，有的光栅读数头设有一个绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，可以重新对零。它是在两光栅上分别有一小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信号，并在数字显示器中显示。
2．辨向方法
在光栅检测装置中，将光源的平行光调制后作用于光电元件上，从而得到与位移成比例的电信号。当光栅移动时，从光电元件上将获得一正弦电流。若仅用一个光电元件检测光栅的莫尔条纹变化信号，只能产生一个正弦波信号用作计数，不能分辨运动方向。为了辨别方向，如图3—29a 所示，安置两只光电元件(或设置两个狭缝sl 、s2，让光线透过它们分别为两个光电元件接收) ，彼此相距1／4节距。当光栅移动时，从两只光电元件分别得到正弦和余弦的电流波形，如图3—29b 所示由于莫尔条纹通过光电元件的时间不同，两信号将有90。或l ／4周期的相位差而信号的超前与落后，取决于光栅的移动方向。这样，两信号经过放大整形和微分等电子判向电路，即可判别它们的超前与落后，从而判别了机床的运动方向。例如，当标尺光栅向右运动时，莫尔条纹向上移动，信号id2超前l ／4周期，反之当标尺光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，信号id1，超前1／4周期。
3．分辨率的提高
一种光栅测量装置的逻辑框图如图3—30
所示。
为了提高分辨率，线路采用了4倍频的方案，在一个莫尔条纹节距内安装了4只光电元件(如硅光电池) ，每相
邻两只的距离为1／4节距。4倍频电路的波形图如图3—31所示。
当指示光栅和标尺光栅相对移动时，四个硅光电池p1、p2、p3、p4产生四路相差90°相位的正弦信号。．两组相差180°的两个正余弦信号l 、3和2、4分别送两个差动放大器，输出经放大整形后，得两路相差90°的方波信号a 和b 。a 和b 两路方波一方面直接进微分器 微分后，得到前沿的两路尖脉冲a′和b′；另一方面经反向器，得到分别与a 和b 相差180。的两路等宽脉冲c 和d(和d 再经微分器微分后，
得两路尖脉冲c′和d′。四路尖脉冲按相位关系经与门和a 、b 、c 、d 相与，再输出给或门，输出正反向信号，其中a′b、ad′、c′db′c分别通过y1、y2、y3、y4输出给或门h1，得正向脉冲，而bc 、ab 、ad 、cd 通过y5、y6、y7、y8输出给或门h2，得反向脉冲。当正向运动时，h1有脉冲信 号输出，h2则保持低电平；而反向运动时，h2有脉冲信号输出，h1则保持低电平。这样，当栅距为1／50mm(20μm)时，4倍频后每个脉冲当量为5μm，即分辨率 提高了4倍。
4倍频波形 光栅输出给数控装置的信号有两种，方波信号和正弦波信号。对方波信号，可进行2倍频和4倍频处理，但最高为4倍频；对连续变化的正弦波信号，可采用相位跟踪细分，进一步提高分辨率。其原理是将输出信号与相对相位基准信号比较，当相位差超过一定门槛时，移相脉冲门输出移相脉冲同时使相对相位基准信号跟踪测量信号变化。这样每一移相脉冲使相对相位基准移
相(360／n)°，即可实现n 倍细分，有8倍频、10倍频、20倍频或更高。