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一、光柵尺

光柵尺，也稱為光柵尺位移傳感器(光柵尺傳感器)，是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺經(jīng)常應用于數(shù)控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作用。光柵尺按照制造方法和光學原理的不同，分為透射光柵和反射光柵。

光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。圖1所示的就是光柵尺的結構。

光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調整機構等組成。光柵讀數(shù)頭結構形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結構特點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)物理學中莫爾條紋的形成原理工作的。當兩個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，兩個光柵尺上的線條必然會相互交叉。在光源照射下，由于靠近路口的小區(qū)域內黑線重疊，擋光面積較小，擋光效果較弱。光的累積效應使這個區(qū)域顯得明亮。相反，在遠離交點的區(qū)域，由于兩個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，使得擋光效應應變更強，只有少量的光可以通過該區(qū)域的光柵，導致該區(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.當平行光束照射光柵時，通過莫爾條紋的光強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，它們之間的幾何關系為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，不需要復雜的光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，就可以將光柵間距轉換成放大100倍的莫爾條紋寬度。這種放大是光柵的一個重要特征。

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.莫爾條紋的運動對應于兩個光柵尺之間的相對運動。當兩個光柵尺移動一個間距D時，莫爾條紋將移動一個莫爾條紋寬度W，其方向垂直于兩個光柵尺相對移動的方向。當兩個光柵尺的相對運動方向發(fā)生變化時，莫爾條紋的方向也會發(fā)生變化。

根據(jù)莫爾條紋的上述特點，假設我們在莫爾條紋的運動方向上開四個觀察窗A、B、C、D，并使這四個觀察窗相隔1/4莫爾條紋寬度，即w/4。從上面的討論可以看出，當兩個光柵尺相對運動時，莫爾條紋隨之運動。從四個觀察窗A、B、C和D，可以獲得相位超前或滯后1/4周期(即π/2)的四個光強變化過程(取決于兩個光柵尺的相對運動方向)。表達式見圖4-9(c)。如果使用光敏元件進行檢測，光敏元件通過觀察窗將光強的變化轉換成相應的電壓信號，設置為。根據(jù)這四個電壓信號，可以檢測光柵尺的相對運動。

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