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光栅传感器的结构和工作原理
发布时间:2021-03-03   点击次数:75次

光栅式传感器的基本原理是利用光栅的莫尔条纹现象。

 

如下图所示,光栅1类似于长刻线尺,称为标尺光栅(也称主光栅),它可以移动;光栅2只取一小块,称为指示光栅,它固定不动。也可相反地使指示光栅移动。两者栅距和刻线宽度均相同,使刻线面相对叠合并在中间留有间隙d,便组成光栅副。

 

将其置于由光源和透镜形成的平行光束的光路中,若二光栅栅线之间有很小的夹角θ,则在近似垂直于栅线的方向上显示比栅距W宽得很多的明暗相间的条纹,这些条纹称为莫尔条纹,其信号光强分布如图中曲线所示,中间为亮带,上下两条为暗带,当标尺光栅沿垂直于栅线的x方向每移动一个栅距W时,莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件接收莫尔条纹信号并经电路处理后,用计数器可得到标尺光栅移过的距离。

 

在实际使用中,一般把光源、指示光栅和光电元件组合在一起,称为读数头。读数头的结构形式很多,就其光路可分为以下几种。

 

1)分光读数头

 

它的工作原理如下图所示,光源Q发出的光经透镜L1变成平行光,照射到光栅G1G2上,形成莫尔条纹;透镜L2把莫尔条纹聚焦;在光阑板S之后的焦面上,光电元件P接收莫尔条纹信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。因为光栅间距比较小,两块光栅之间的间隙也小,所以不能在光栅表面粘玻璃保护层。

 

在实际使用中,如下图所示,在光栅GG之间装上等倍投影透镜L3L4使G1的像以同样大小的像投影在G2上形成莫尔条纹,于是拉长了G1G2之间的距离。这种读数头主要用在高精度坐标控制系统和精密测量仪器上。

 

2)垂直入射读数头

 

这种读数头主要是用于每毫米25125线的玻璃透射光栅系统。下图为垂直入射读数头的结构示意图,光源1通过透镜2变成平行光照射在标尺光栅3和指示光栅4上,形成莫尔条纹,然后由光电池5接受信号。图中8是滚动轴承,它保证了标尺光栅和指示光栅之间恒定的间隙。标尺光栅和读数头分别装在固定部件和移动部件上,标尺光栅用压板7夹紧,读数头用螺钉6固定。其精度可达0.001mm/1000mm

 

3)反射读数头

 

这种读数头主要用于每毫米2550线以下的如下图所示反射光栅系统。图中β为入射角(一般为30°,反射光束通过指示光栅G2形成莫尔条纹,然后经透镜Lz并由光电元件P接收信号。

 

光栅只能用于增量测量方式,目前有的光栅读数头设有一个绝dui零点,这样由于停电或其他原因造成记错数字时,可以重新对零。它是在标尺光栅上有一小段光栅,在指示光栅上也有相应的一小段光栅,当这两小段光栅重叠时发出零位信号,并在数字显示器中显示出来。

 

 

 

 

 

 

 

 

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