光栅检测装置优化方案

图6-19 长光栅的莫尔条纹

1.光栅读数头

光栅读数头由光源、指示光栅和光电元件组合而成，是光栅与电学系统转换的部件。读数头的结构形式很多，但就光路分，有以下几种。

（1）分光读数头 其原理如图6-20所示，从光源Q发出的光，经透镜L₁，照射到光栅G₁、G₂上，形成莫尔条纹，由透镜L₂聚焦，并在焦平面上安置光电元件P接受莫尔条纹的明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。光栅刻线截面为锯齿形，光源Q的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的。这种光栅的栅距较小（0.004mm），因此两光栅之间的间隙也小，主要用在高精度坐标镗床和精密测量仪器上。

（2）垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的玻璃透射光栅系统，如图6-21所示，从光源Q经透镜L使光束垂直照射到标尺光栅G₁，然后通过光栅G₂由光电元件P接收。两块光栅的距离t根据有效光波的波长和光栅栅距W决定，即

t=W²/λ （6-16）

使用时再作微量调整。

（3）反射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～50条线纹以下的反射光栅系统。如图6-22所示，光源经透镜L₁得到平行光，并以对光栅法向面为β的入射角（一般为30°）投射到标尺光栅G₁的反射面上，反射回来的光束先通过指示光栅G₂形成莫尔条纹，然后经过透镜L₂使光电元件P接收信号。

上述光栅只能用于增量式测量方式，有的光栅读数头设有一个绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，可以重新对零。它是在两光栅上分别有一小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信号，并在数字显示器中显示。

图6-20 分光读数头

图6-21 垂直入射读数头

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图6-22 反射读数头光路图

2.辨向方法

在光栅检测装置中，将光源来的平行光调制后作用于光电元件上，从而得到与位移成比例的电信号。当光栅移动时，从光电元件上将获得一正弦电流。若仅用一个光电元件检测光栅的莫尔条纹变化信号，只能产生一个正弦波信号用作计数，不能分辨运动方向。为了辨别方向，如图6-23a所示，安置两只光电元件（或设置两个狭缝S₁、S₂，让光线透过它们分别为两个光电元件接受），彼此相距1/4节距。当光栅移动时，从两只光电元件分别得到正弦和余弦的电流波形，如图6-23b所示。由于莫尔条纹通过光电元件的时间不同，两信号将有90°或1/4周期的相位差。而信号的超前与落后，取决于光栅的移动方向。这样，两信号经过放大整形和微分等电子判向电路，即可判别它们的超前与落后，从而判别了机床的运动方向。例如，当标尺光栅向右运动时，莫尔条纹向上移动，信号ID₂超前1/4周期，反之，当标尺光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，信号ID₁超前1/4周期。

图6-23 光电元件的安装及其所产生的电流波形

a）安装图 b）波形图

3.分辨率的提高

图6-24是一种光栅测量装置的逻辑框图。为了提高分辨率，线路采用了4倍频的方案，在一个莫尔条纹节距内安装了4只光电元件（如硅光电池），每相邻两只的距离为1/4节距。则莫尔条纹每移动一个节距，光电元件将产生4个正、余弦信号，然后经过放大，整形为方波。再经微分电路获得4个脉冲（A′B′C′D′）。

由于脉冲在方波的上升沿产生，为了使脉冲位于0°、90°、180°、270°的相位上，所以微分电路前必须反相一次，图中4个方波（A、B、C、D）通过与门跟4个脉冲的逻辑组合为辨向线路，当正向运动时，通过与门1～4及或门H₁得A′B+AD′+C′D+B′C4个脉冲输出；当反向运动时，通过与门5～8及或门H₂得到BC′+AB′+A′D+CD′4个脉冲输出。这样，如果光栅的栅距为0.02mm，4倍频后每一个脉冲相当于0.005mm，使分辨率提高4倍。另外，除4倍频外，还有8倍频、10倍频、20倍频等线路。例如，每毫米100线纹光栅，10倍频后，其最小读数值为1μm，可用于精密机床的测量。光栅检测元件一般用玻璃制成，容易受外界气温的影响而产生误差。而且灰尘、切屑、油污、水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，甚至因光栅的相对运动而损坏刻线。因此，光栅必须采用与机床材料线胀系数接近的K8等玻璃材料，并且加强对光栅系统的维护和保养。测量精度较高的光栅都使用在环境条件较好的恒温场所或进行密封。

图6-24 光栅信号4倍频电路及波形

a）安装图 b）电路图 c）波形图

1—光源 2—指示光栅 3—硅光电池 4—标尺光栅 5—聚光灯