光栅尺工作原理及基础理论.doc

光栅尺工作原理及详细介绍

光栅：光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。  
    光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。  
    光栅尺：其实起到的作用是对刀具和工件的坐标起一个检测的作用，在数控机床中常用来观察其是否走刀有误差，以起到一个补偿刀具的运动的误差的补偿作用，其实就象人眼睛看到我切割偏没偏的作用，然后可以给手起到一个是否要调整我是否要改变用力的标准。

    【相当于眼睛】

    一、引言
    目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图。  
    随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。
    利用光栅传感器构成的位移量自动测量系统原理示意图。该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以下介绍。
    二、电子细分与判向电路
    光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为  ：
    (1)  式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad
    在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。
    三、单片机与接口电路
    为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为：
    (2)  若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2μs是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。
    由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。
    本系统长度最大可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辨率为μm级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示"-"号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。
    为实现测量系统的智能化，设置了一个2×8方式键盘矩阵，其中包括0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；ΔT温度误差修正功能键；EXE执行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。
    由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的"大"数，而小于255的"小"数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732（4k  EPROM）。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。
    四、软件设计
    根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。设定环境温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。
    五、结论
    根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于±5μm，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辨率可从20μm到1μm，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。

    【光栅尺位移传感器的介绍】

    一、位移传感器基本原理  
    光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90°的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。  
    二、位移传感器安装方式  
    光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。  
    一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。  
    1、位移传感器安装基面  
    安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到：①应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。②该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。  
    2、位移传感器主尺安装  
    将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：  
    （1）  在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。  
    （2）  在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。  
    （3）  不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。  
    3、位移传感器读数头的安装  
    在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。  
    4、位移传感器限位装置  
    光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。  
    5、位移传感器检查  
    光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。  
    在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。  
    通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。  
    三、位移传感器使用注意事项  
    （1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。  
    （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。  
    （3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。  
    （4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。  
    （5）  为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。  
    （6）  光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。  
    （7）  不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。  
    （8）  应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。  
    （9）  光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。

二、工作原理
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。图4-9是其工作原理图。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质：
(1) 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。
(2) 若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为W=d／sin当 角很小时，上式可近似写W=d／θ
若取d=0.01mm,θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。
(3) 由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。
(4) 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。
根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1／4莫尔条纹宽度，即W／4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函数的光强度变化过程，用 表示，见图4-9(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化 转换成相应的电压信号，设为 。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。
1． 位移大小的检测
由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测 这4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。 每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因 是余弦函数，故根据 之值也可以计算出其相对移动的距离。
2 位移方向的检测
在图4-9(a)中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程 和及输出的相应的电压信号和如图4-10(a)所示，在这种情况下，滞后的相位为／2；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程和 及输出的相应的电压信号和如图4-10(b)所示，在这种情况下，超前的相位为／2。因此，根据和两信号相互间的超前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。
二、工作原理
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。图4-9是其工作原理图。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个
区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质：
(1) 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。
(2) 若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为W=d／sin当 角很小时，上式可近似写W=d／θ
若取d=0.01mm,θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。
(3) 由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。
(4) 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。
根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1／4莫尔条纹宽度，即W／4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函数的光强度变化过程，用 表示，见图4-9(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化 转换成相应的电压信号，设为 。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。
1． 位移大小的检测
由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测 这4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。 每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因 是余弦函数，故根据 之值也可以计算出其相对移动的距离。
2 位移方向的检测
在图4-9(a)中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程 和及输出的相应的电压信号和如图4-10(a)所示，在这种情况下，滞后的相位为／2；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程和 及输出的相应的电压信号和如图4-10(b)所示，在这种情况下，超前的相位为／2。因此，根据和两信号相互间的超前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。

工作原理：
直线光栅尺和旋转编码器均依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移。FAGOR公司反馈产品采用两种不同的材料来产生反馈信号：
1.刻线玻璃尺（直线光栅尺 有效测量长度3米以下使用）刻线玻璃盘片（旋转编码器）
2.刻线钢带尺（直线光栅尺 有效测量长度3米以上使用）
测量过程：
FAGOR公司反馈产品提供的输出信号是由光源通过刻在直线尺或盘片的栅格线后，再经光电转换装置的处理产生的。读数装置由光源、刻线玻璃与栅格窗、以及光电二极管接收装置组成。FAGOR公司反馈产品采用红外发光二极管（IRED）作为光源，这种光源具有安全、寿命长的特点。
1.刻线玻璃反馈系统
红外线光束被光电二极管接收前，先通过有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗，有刻线轨迹的板与栅格窗间的相对运动回产生正弦波形式的光波，这种光波经光电二极管接收后，会转换成最初始的电流正弦波信号，这些电信号的周期与栅距是一样的。

2.刻线钢带反馈系统
工作原理是让光以反射方式通过网状栅格，读数系统由一个LED组成作为刻线钢带的光源（衍射光）。网状成像装置和信号光检测元件采用FAGOR工作最新专利技术设计，该装置能使成像在相同平面，从而大大提高了信号的精度和可靠性。

3.旋转和角度编码器
FAGOR公司旋转和角度编码器，采用衍射光通过刻线玻璃光栅盘片，再经过光电转换产生电信号。栅距有每转多少线决定