以下內(nèi)容中，小編將對光柵尺的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行著重介紹和闡述，希望本文能幫您增進(jìn)對光柵尺的了解，和小編一起來看看吧。
一、光柵尺
光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器(光柵尺傳感器)，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。例如，在數(shù)控機(jī)床中常用于對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動(dòng)誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學(xué)原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。
光柵尺是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。圖1所示的就是光柵尺的結(jié)構(gòu)。
光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會(huì)聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭)。
二、光柵尺的原理
光柵尺是根據(jù)物理學(xué)中莫爾條紋的形成原理工作的。當(dāng)兩個(gè)光柵尺放置在指示光柵上的線條和刻度光柵上的線條之間成一定角度時(shí)，兩個(gè)光柵尺上的線條必然會(huì)相互交叉。在光源照射下，由于靠近路口的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，擋光面積較小，擋光效果較弱。光的累積效應(yīng)使這個(gè)區(qū)域顯得明亮。相反，在遠(yuǎn)離交點(diǎn)的區(qū)域，由于兩個(gè)光柵尺不透明黑線的重疊部分越來越少，不透明區(qū)域逐漸變大，即遮光區(qū)域逐漸變大，使得擋光效應(yīng)應(yīng)變更強(qiáng)，只有少量的光可以通過該區(qū)域的光柵，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些線幾乎與光柵線垂直，交替出現(xiàn)的明暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下特性:
1.當(dāng)平行光束照射光柵時(shí)，通過莫爾條紋的光強(qiáng)分布類似于余弦函數(shù)。
2.如果W表示莫爾條紋的寬度，D表示光柵的間距，θ表示兩條光柵尺線之間的夾角，則在角度很小時(shí)，它們之間的幾何關(guān)系為W = D/SIN，上述公式可近似寫成W = D/θ。
若d = 0.01mm，θ = 0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明利用光的干涉現(xiàn)象，不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，就可以將光柵間距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。這種放大是光柵的一個(gè)重要特征。
3.由于莫爾條紋是由多條光柵線共同干涉形成的，莫爾條紋對單個(gè)光柵線之間的光柵間距誤差有平均作用，可以消除光柵間距不均勻帶來的影響。
4.莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)對應(yīng)于兩個(gè)光柵尺之間的相對運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)光柵尺移動(dòng)一個(gè)間距D時(shí)，莫爾條紋將移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W，其方向垂直于兩個(gè)光柵尺相對移動(dòng)的方向。當(dāng)兩個(gè)光柵尺的相對運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí)，莫爾條紋的方向也會(huì)發(fā)生變化。
根據(jù)莫爾條紋的上述特點(diǎn)，假設(shè)我們在莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)方向上開四個(gè)觀察窗A、B、C、D，并使這四個(gè)觀察窗相隔1/4莫爾條紋寬度，即w/4。從上面的討論可以看出，當(dāng)兩個(gè)光柵尺相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋隨之運(yùn)動(dòng)。從四個(gè)觀察窗A、B、C和D，可以獲得相位超前或滯后1/4周期(即π/2)的四個(gè)光強(qiáng)變化過程(取決于兩個(gè)光柵尺的相對運(yùn)動(dòng)方向)。表達(dá)式見圖4-9(c)。如果使用光敏元件進(jìn)行檢測，光敏元件通過觀察窗將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)置為。根據(jù)這四個(gè)電壓信號(hào)，可以檢測光柵尺的相對運(yùn)動(dòng)。
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