光栅检测定位系统

光栅检测定位系统由光栅、光栅读数头及电子系统组成。

1．光栅由很多规则的、密集排列的、明暗相间线纹所构成的遮光或反光栅栏，称为光栅。

利用光栅作为测量基准元件，可设计和制造出各种精密的光栅测量仪器，用于测量位移、角度、速度、加速度、爬行以及精密机床、电子精密机械设备的精密定位和自动对准等许多方面。

在精密测量技术中，应用最多的一种光栅是玻璃透射式直线光栅，如图9 - 29所示，它是在一块透明的平整玻璃上，制作一系列彼此平行且间隔相等的直线而成。

直线光栅的主要参数有刻线宽度口；刻线之间缝隙宽度6；栅距W，且W =a+b，通常使以等子6或略有偏差。常用的光栅刻线有10线／mm、25线／mm、50线／mm、100线／mm、200线/mm等多种。

除直线光栅外，还有圆光栅，主要用于角度的精密测量。

2．光栅检测原理如图9 - 30所示，如果将栅距相等的两块光栅（一块称为标尺光栅，另一块称为指示光栅）相互保持一定间隔而重叠在一起，并使两块光栅线条交叉成一个很小的角度日，则在口角平分线垂直的方向上，可以看到另外一种宽度较大的亮带和暗带交替的干涉条纹，称为莫尔条纹。

莫尔条纹具有下列特性：

(1)位移放大作用由图9- 30可见，由光栅形成的两相邻莫尔条纹之间的垂直距离B( mm)，即莫尔条纹宽度，比栅距W (mm)大得多，它们之间的关系可以利用图中几何关系求得：

B=W/2sin(θ/2) (9 -1)由于口角很小，则sin詈≈号(rad)，所以B≈w/θ (9 -2)从式(9 -2)可看出，改变交角曰，可使B随之变化，当交角臼很小时，B值可以很大。

这就表明，这种计量光栅系统，通过莫尔条纹的形成，起到了光学放大器的作用，其放大倍数为K=B/W≈1/θ (9 -3)实际的光栅系统中，一般的口角都很小，因此莫尔条纹的放大倍数K值就很大。例如，当0=2。时，K=172。所以，当一块光栅相对于另一块光栅做微小的位移(例如正好移动一个栅距W)，则莫尔条纹将移动一个等于栅距K倍的距离。正是莫尔条纹的这种放大特性，被广泛地用来实现精密测量或精密定位。

(2)莫尔条纹的运动与光栅运动具有对应关系。当两块光栅中的一块沿着垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就沿着两刻线间夹角口的平分线方向移动。动光栅移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个条纹间距B。光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。由此可知，通过某一固定检测点的光栅线条数与通过该点的莫尔条纹数相同。显然，通过该点的莫尔条纹数n和光栅栅距W的乘积，就是动光栅的位移量L，即L=nW (9-4)由于莫尔条纹的间距B比光栅的栅距W大得多，所以很容易检测到通过某基准点的奠尔条纹数。

对莫尔条纹昀检测，可用图9 - 31所示的方法，对光栅上某一小块面积（可用缝隙M来表示）来说，条纹的运动呈现为这块面积上亮度的周期性变化。若让光电管V对着这块面积，当莫尔条纹移动时，就能将周期性变化的光信号转换成周期性变化的电信号，即每通过一个莫尔条纹，就输出一个近似为正弦波的电信号。若对周期性的电信号进行计数，就可实现对光栅位移量的检测。

但是，上述的检测方法不能辨别动光栅Gi的移动方向。当光栅需要做正向或反向移动时，就不能检测光栅的实际位移量。为了能够辨别方向，可按图9 - 32(a)所示，设置两个中心距离为B/4的缝隙Mi和M2。这样，当光栅G1移动时，莫尔条纹通过缝隙Mi和M2的时间一前一后，因而相应的两个光电管Vl和V2所输出的电信号波形虽然相同，均为正弦波，但是相位不同，两者相差1／4周期(即2π/4)。图9- 32(b)所示为光栅Gi向右移动时，莫尔条纹向上移动，这时V2信号比Vl信号的相位超前1／4周期。图9 - 32(c)所示为光栅G1向左移动时，莫尔条纹向下移动，V2信号比Vl的相位滞后1／4周期。

在实际的光栅检测系统中，两个信号中的一个可作为参考信号，从另一信号是超前还是滞后，就可判别光栅移动的方向。

(3)平均光栅误差作用。由于莫尔条纹由光栅的许多刻线共同形成，所以光电接收元件接收到的信号，是整个刻线区域的综合信号，虽然光栅栅距有误差，但这种综合信号的效果可对各栅距误差起平均作用，从而使得采用光栅测量的精度比光栅本身的精度还高。

根据偶然误差规律，假定光栅的任一单个栅距误差为艿，且光电接收元件所覆盖的光栅线条个数为N，则综合栅距误差可以近似地用下式计算：

△=±δ/√N (9 -5)

例如，对于50线／mm的光栅，假设单线误差为a=i y.m，若用10×1Omm^2的光电池作为接收元件，则N=10×50=500（条线），由上式可求出综合栅距误差：

△=±1√500=士0.04(μm)

由此说明，由于莫尔条纹对误差的平均作用，使得平均误差减小了20多倍。

(4)可采用倍频技术提高测量精度。由于莫尔条纹的光强变化近似为正弦周期变化，因此光信号转换成电信号后，便于数字化进行自动计数。并且便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频”技术，将计数单位变成一个比光栅周期W更小的单位，例如Wl4或W/10记一个数，这样可以提高测量或定位精度。

3．光栅读数头光栅读数头是光栅与电子系统连接的部件，常用的透射式读数头结构如图9 - 33所示。

光源通过准直透镜垂直照射到光栅上，然后由光电元件接收。光电元件常采用四片组合式硅光电池，使莫尔条纹的宽度B等于四片硅光电池宽度之和，因此每个硅光电池接收到1／4个莫尔条纹宽度的光信号。

经过硅光电池的转换，可以获得4个相位差为1／4周期的正弦波电信号，即Asinωt、AcoScωt、-Asinωt和- ACOSωt，提供给光栅信号计数和辨向电路进行测量计数。