光栅测量装置

8.3　光栅测量装置

光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。物理光栅的刻线细而密，栅距(两刻线间的距离)在0.002～0.005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅相对来说刻线较粗，栅距在0.004～0.25mm之间，通常用于数字检测系统，用来检测高精度的直线位移和角位移。计量光栅是用于数控机床的精密检测装置，具有测量精度高、响应速度快、量程宽等特点，是闭环系统中一种用得较多的位置检测装置。

8.3.1　光栅的结构和工作原理

光栅是一种最常见的测量装置，具有精度高、响应速度快等优点，是一种非接触式测量。光栅利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅的检测精度较高，可达1μm以上。

光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，主要由光栅尺(包括标尺光栅和指示光栅)和光栅读数头两部分组成，如图8－3－1所示。通常标尺光栅固定在机床的运动部件(如工作台或丝杠)上，光栅读数头安装在机床的固定部件(如机床底座)上，两者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。在安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。

图8－3－1　光栅读数头

光栅尺是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25条/mm、50条/mm、100条/mm、250条/ mm。对于圆光栅，若直径为70mm，则一周内刻线100～768条;若直径为110mm，则一周内刻线达600～1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。

光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图8－3－1所示。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传送时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。

图8－3－2　光栅的工作原理

如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度β，使两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距λ相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直，其几何关系如图8－3－2b所示。当β很小时，莫尔条纹的节距为

p=λ/β

这表明，莫尔条纹的节距是栅距的1/β倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距λ时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距p，也就是说，两者一一对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距。而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后自动测量出来。光栅的刻线为100条，即栅距为0.01mm，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以莫尔条纹是一种简单的放大机构，其放大倍数取决于两光栅刻线的交角β，如λ=0.01mm，p=5mm，则其放大倍数为1/β=p/λ=500倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特性。莫尔条纹还具有平均误差的特性。

8.3.2　光栅检测装置的特点

①由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响很小;也可采用倍频的方法来提高分辨率精度，所以测量精度高。

②在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。

③光栅刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾角都要求保持不变，故制造调试比较困难。另外光学系统很容易受外界的影响产生误差，灰尘、冷却液等污物的侵入，易使光学系统污染甚至变质。为了保证精度和光电信号的稳定，光栅和读数头都应放在密封的防护罩内，对工作环境的要求也较高，测量精度高的都放在恒温室中使用。