光栅式传感器测量位移

任务描述

20世纪50年代，人们开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，从而出现了光栅式传感器。现在人们把这种光栅称为计量光栅，以区别于其他光栅。由于它原理简单、装置也不十分复杂、测量精度高、可实现动态测量、具有较强的抗干扰能力，广泛应用于位移和角度的精密测量。

任务目标

●掌握光栅式传感器测量位移的工作原理、连接方式

●了解光栅式传感器的种类、型号及参数

●了解光栅式传感器的结构、应用场合

任务分析

光栅是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。它具有测量精度高、测量范围大、信号抗干扰能力强等优点，在对传统机床进行数字化改造过程及现代数控机床中得到广泛的应用。

任务实施

一、任务准备

光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光或者反射光和不反射光的刻线均匀相间排列成的光学器件，如图4-18所示，a为透光缝隙宽度，b为栅线宽度，w( =a+b)为光栅栅距(也称光栅节距或光栅常数)。利用光栅制成的光栅传感器可以实现精确的位移测量，常用于高精度机床和仪器的精密定位或长度、速度、加速度及振动等方面的测量。

图4-18 长型光栅

光栅的种类很多，按其原理和用途不同，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波长等物理量的测量。计量光栅是利用光的透射和反射现象制造的，常用于位移测量，具有很高的分辨力，可达0.1μm。

计量光栅根据光线的传送方向分为透射式光栅和反射式光栅。透射式光栅一般是用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻画间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区;反射式光栅一般使用具有强反射能力的材料(如不锈钢)做基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区。

计量光栅根据光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅。长光栅用于直线位移测量，故又称为直线光栅;圆光栅用于角位移测量，二者工作原理基本相同。

近年来，我国自行设计、制造了很多测量长度和角度的光栅式计量仪器，如成都远恒精密测控技术有限公司生产的BG1型线位移传感器、长春光机数显技术有限责任公司生产的SGC系列等，表4-1给出了成都远恒精密测控技术有限公司生产BG1系列位移传感器的主要技出参数。本产品采用光栅常数相等的透射式标尺光栅和指示光栅付，运用了裂相技术和零位标记，从而使传感器具有优异的重复定位性、高等级的测量精度。防护密封采用特殊的耐油、耐腐、高弹性及抗氧化塑胶，防水、防尘性能优良，使用寿命长，体积小，重量轻，适用于机床、仪器中做长度测量，坐标显示和数控系统的自动测量等。表4-1给出了BG1系列位移传感器的主要技术参数。

表4-1 BG1型线位移传感器的电参数

(续表)

表4-2和表4-3给出了长春光机数显技术有限公司SGC系列光栅位移传感器的技术参数。

表4-2 SGC光栅位移传感器的主要参数

表4-3 SGC光栅位移传感器的电信号输出参数

由表4-2、表4-3可知，光栅位移传感器的输出信号为两个相位相差90°的信号，在实际应用中，主要任务就是对传感器输出的信号进行放大、整形、辨向、细分及计数，根据计数结果计算出位移量。

二、任务实施

光栅传感器在几何测量领域有着广泛的应用，除了在与直线位移和角位移测量有关的精密仪器使用外，在振动、速度、应力、应变等机械量的测量中也有应用。

图4-19所示的光栅测量系统中，A、B两组光电池用于接收光栅移动时产生的莫尔条纹明暗信号，其中A、A'(或B、B')为差动信号，起到抗传输干扰的作用;A组和B组的光电池之间彼此错开w/4，使莫尔条纹经光电转换后形成的脉冲信号相位相差90°，这样可以根据相位的超前和滞后来判别光栅移动的方向。

图4-19 光栅测量系统

上述两组信号，经差动放大、整形、鉴向等电路的处理(图4-20)后，就可根据莫尔条纹的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，测量出光栅的实际位移。

图4-20 波形处理过程

三、任务检测

1.接电源后数显表无显示

(1)检查电源线是否断线，插头接触是否良好。

(2)数显表电源保险丝是否熔断。

(3)供电电压是否符合要求。

2.数显表不计数

(1)将传感器插头换至另一台数显表，若传感器能正常工作，说明原数显表有问题。

(2)检查传感器电缆有无断线、破损。

3.数显表间断计数

(1)检查光栅尺安装是否正确，光栅尺所有固定螺钉是否松动，光栅尺是否被污染。

(2)插头与插座是否接触良好。

(3)光栅尺移动时是否与其他部件刮碰、摩擦。

(4)检查机床导轨运动副精度是否过低，造成光栅工作间隙变化。

4.数显表显示报警

(1)没有接光栅传感器。

(2)光栅传感器移动速度过快。

(3)光栅尺被污染。

5.光栅传感器移动后只有末位显示器闪烁

(1)A或B相无信号或不正常，或只有一相信号。

(2)有一路信号线不通。

(3)光敏三极管损坏。

6.移动光栅传感器只有一个方向计数，而另一个方向不计数(即单方向计数)

(1)光栅传感器A、B信号输出短路。

(2)光栅传感器A、B信号移相不正确。

(3)数显表有故障。

7.读数头移动发出“吱吱”声或移动困难

(1)密封胶条有裂口。

(2)指示光栅脱落，标尺光栅严重接触摩擦。

(3)下滑体滚珠脱落。

(4)上滑体严重变形。

8.新光栅传感器安装后，其显示值不准

(1)安装基面不符合要求。

(2)光栅尺尺体和读数头安装不合要求。

(3)严重碰撞使光栅副位置变化。

任务评价

1.是否掌握光栅式传感器测量位移的工作原理、连接方式。

2.是否了解光栅式传感器的种类、型号及参数。

3.是否了解光栅式传感器的结构、应用场合。

相关知识

1.光栅传感器工作原理

光栅传感器主要由光源、光栅副和光敏元件三大部分组成，如图4-21所示。其中光栅副由标尺光栅(也称主光栅)和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线完全一样，二者叠合在一起，中间保持很小的间隙(0.05～0.1mm)，并使二者栅线形成很小的夹角θ，测量时主光栅不动，指示光栅安装在运动部件上，随运动部件在和标尺光栅栅线垂直的方向上移动，二者相对运动。在两光栅刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，如图4-22中a-a线所示;在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图4-22中b-b线所示。这种由亮带和暗带形成的明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直，通常在光栅的适当位置安装两个光电传感器(指示光栅刻线之间及与其相差1/4栅距的地方，保证其相位相差90°)。当指示光栅沿水平方向自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带(a-a线和b-b线)将顺序自下向上移动，不断地掠过光敏元件，光敏元件检测到的光信号按强—弱—强循环变化，光敏元件输出类似于正弦波的交变信号，每移动一个栅距w，光强变化一个周期，如图4-23所示。

图4-21 光栅传感器的组成

图4-22 莫尔条纹

图4-23 光栅位移与光强及输出电压的关系

莫尔条纹的基本特征:

(1)莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

(2)当两光栅沿与栅线垂直方向相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动(二者的运动方向方向相互垂直);光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。图4-22中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。

(3)莫尔条纹的间距是放大的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，其关系可用下式表示:

式中，B是莫尔条纹间距;w是光栅栅距;θ是两光栅刻线夹角，必须以弧度(rad)为单位。

从式(4-27)中可知，θ越小，B越大，相当于把微小的栅距扩大了倍。由此可见，计量光栅起到光学放大作用。例如，对25线/mm长光栅而言，w=0.04 mm，若θ=0.02rad，则B=2mm。计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。

(4)莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了1mm，则从光电元件面前掠过的莫尔条纹数为100条，光电元件也将产生100个脉冲，通过对脉冲进行计数，即可知道实际的移动距离。

2.辨向原理及细分技术

(1)辨向原理

如果传感器只安装一套光敏元件，则在实际应用中，无论光栅做正向移动还是反向移动，光敏元件产生的正弦信号都相同，无法知道移动的方向。要想知道移动的方向，必须要设置辨向电路。

图4-24 辨向电路

通常可以在沿光栅线的方向上相距栅距的距离上安装两套光电元件(得到sin和cos两个信号)，这样就可以得到两个相位相差90°的电信号usin和ucos。经放大、整形后得到usin'和ucos'两个方波信号，分别送到图4-24所示的辨向电路。当指示光栅向右运动时，由图4-25(a)可以看出，usin'的上升沿经微分电路后产生的尖脉冲正好与ucos'的高电平相与，与门IC1处于打开状态，与门IC1输出计数脉冲，表示正向移动。而ucos'经IC3反相后产生微分脉冲被ucos'的低电平封锁，与门IC2输出低电平。反之，当指示光栅向左移动时，由图4-24可以看出，IC1关闭，IC2产生计数脉冲，IC1输出低电平［图4-25(b)］。将IC1和IC2的输出分别送到可逆计数器的加法计数端和减法计数端，用计数值n与栅距相乘，则可得到相对于某个参考点的位移量，即

x=n·w　(4-28)

图4-25 正反向运动波形图

(2)细分技术

由前所述，若只对光栅传感器输出的脉冲信号进行计数，其分辨率是一个栅距w，在有些要求精密的测量系统中，则要求更高的分辨力，此时可以采用细分技术。所谓细分技术，是指在不增加光栅刻线的情况下提高光栅的分辨力，即在一个栅距w内能得到更多的脉冲个数，则其分辨力比w更小。细分主要是采用倍频法来实现，常见的有四倍频和十六倍频。