光栅传感器的应用

3.3.3　光栅传感器的应用

1．光栅传感器的辨向处理

为了辨别主光栅的移动方向，仅有一条明暗交替的莫尔条纹是无法辨别的。因此，在原来的莫尔条纹上再加一条莫尔条纹，使两个莫尔条纹信号相差 π/2相位。具体实现的方法是在相隔1/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，如图3-11（a）所示，两只光敏元件的输出信号经整形后得到方波U'₁和U'₂，然后把这两个方波输入如图3-11（b）所示的判向电路，即可判别移动的方向。

图3-11　辨向电路原理图

2．光栅传感器的细分原理随着对测量精度要求的提高，要求光栅具有较高的分辨率。如果仅以光栅的栅距作为其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。因此，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分，才可能获得更高的测量精度。常用的细分方法有两大类：机械细分和电子细分，我们这里只讨论电子细分的最常用方法：倍频细分法。

在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如图3-12（a）所示，得到相位分别相差1/2的四个正弦周期信号。用适当电路处理这一列信号，使其合并得到如图3-12（b）所示的脉冲信号。每个脉冲分别与四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期为1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量。这样，将是光栅固有分辨率的四倍，此种方法被称为四倍频细分法。同理，若再增加光敏元件，可以进一步提高分辨率。

在具体使用时要注意：

（1）传感器应尽量安装在靠近设备工作台的床身基面上。

（2）根据设备的行程选择传感器的长度，光栅传感器的有效长度应大于设备行程。

图3-12　四倍频细分法

（3）将传感器固定在设备工作台基面上，确保主尺上端面同正面与移动方向平行，误差≤0.1mm。

（4）读数头固定在相对于主尺的另一基面上，读数头与主尺之间应保持0.8±0.15mm的间隙，尽量使读数头安装在非运动部件上，以方便电缆线的固定。

（5）在安装传感器的设备导轨上应装限位装置。

（6）在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，防护罩应将主尺全部防护。

图3-13　BG1型光栅传感器外形图

如图3-13所示，某公司生产的BG1型线位移传感器就是一种光栅传感器。该传感器采用光栅常数相等的透射式标尺光栅和指示光栅副。具有精度高、便于数字化处理、体积小、重量轻等特点，适用于机床、仪器做长度测量、坐标显示和数控系统的自动测量等。技术指标如表3-2所示。

表3-2　BG1型光栅传感器的技术指标