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1、数显技术和光栅传感器测量基本原理我们用一句最简单的话讲，数显技术是通过栅式测量传感器做位置精密检测，也就是所谓 的位置测量。位置测量的意义：位置测量主要是指长度和角度的测量，长度和角度是两个极为重要的物理量，长度是国际 单位制的七个基本物理量之一（国际单位制的七个基本物理量是：长度、质量、时间、电流、 热力学温度、物质的量和发光强度），而角度通常是指平面角（弧度是角度的辅助单位）。时间和空间是物质存在的基本形式，一切物体，大到天体、山川、城市，小到舰船、航天 器，飞机、车辆，只有它存在（静止或运动）就有其位置（方位、距离、经纬度），也就是位置 测量的问题，在机械制造行业，长度和角度测量又是几何
2、量测量的重要内容，越是高度工业化 的国家那么用于测量任务的劳动力占的比例越大，其中大部分又是用来作几何变量的检测。传统的观念认为，测量是在耗资的项目，只有加工过程才是创造价值，新的观念认为测量 和加工一样都是增值的重要组成部分。特别要强调的是精密测量技术是精密加工发展的基础和 先决条件之一，由于有了千分尺类量具，加工精度达到0.01mm,有了测微比较仪，加工精度达 到1pm，有了圆度仪，加工精度达到0.1pm,有了激光干涉仪，加工精度达到0.01pm，国际 上机床的加工水平已能稳定达到1pm左右，正在向着稳定精度为（加工水平）0.10.01pm去 发展，表面粗糙度的测量正在向着0.001pm水
3、平去发展，纳米技术正在形成新的技术热点。如果说零件本身是硬件，测量的结果是获得软件则为确定被测对象的量值而进行实验 的过程量数据，过去是被动的，事后的尺寸检验让符合标准的产品出厂，今后的自动化生产将 越来越表现为通过对设备、工具和环境的严密控制。预先决定产品的质量，主动的和在线的测 量对产品质量保证具有决定性的重要意义。它使产品达到了更高的可靠性和精度，并具有互换 性。机械加工和生产流程中的在线检测与控制技术把产品中的废品消灭在萌芽状态，以力保产 品做到全部合格。而新观念的实现依赖于前述新型位置测量系统在内的各种测量系统的发展， 按其本身的精度又依赖于长度、角度、圆度、几何精度等基础机械技术，
4、其中长度、角度测量 技术的关键是位置测量元件的精度及其读出精度。1、位置检测与数显技术的发展：一个世纪以来，计量光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅、电阻栅等新型检测元件先后 出现，几乎“光、电感、电磁、电容、电阻”等物理量都应用于数显测量技术，这几种检测元 件和与之相配的的数字系统，有其相似的特点和优点。、都易于实现位置/电信号的转换。、高分辨率直线位置测量的分辨率可达0.001mm，最高可达0.1pm， 角位置测量的分辨率可达0.5，最高可达0.36”。、高精度准确度直线0.010.03mm,（普通机床）最高0.003mm准确度 圆6”10”，最高1”（精密转台）、大量程采用接长的方法，可以
5、扩大量程，而钢带检测元件的长度也可以达到大量 程，单根钢带计量光栅的首段达54m，单根磁栅的长度能达到30m，直线感应同步 器则可接长使用到40m。，现代制造工艺可做出薄至1.5mm，长度为3m的整体微型玻璃标尺光栅，因此小至精密仪器，大至超重型机械均可采用。、安装调整容易，无磨损，寿命长，小型化，组装化，测量速度高，多功能等。以上是他们的共同之处，但他们各有各的特色和不同之处，下面简单介绍一下这方面的情 况。容栅-制作简单，但是受温度影响比较大，精度低只有0.05mm。如果想要做得好，成 本就会很高，但有一个优点，现在广泛用于数显量具，用容栅做检测元件，通过 导电橡胶与CMOS大规模集成电路
6、相连和用液晶显示，结构精巧，体积与传统量 具差不多，但功能增多，工作速度高，耗电量很小，可靠性却大大的提高。领军 企业有日本的三丰，中国的广陆。电阻栅-制作简单，但是受温度影响比较大，精度低只有0.1mm。其优点像铸塑机上用的电阻尺，如果停电，开机时马上就知道数值-绝对式的测量。磁栅-栅距是0.2mm到0.005mm的显示需要40倍电子细分，细分数不是很高，精度 高，热膨胀系数与钢材一样，能还原精度，像轧制很薄的冷轧板都是用磁栅检测 器。其特点是精度高，成本高，像日本的索尼公司就做得很好，占有磁栅市场的 60%。球栅-栅距是12.7mm到0.005mm的显示需要2540倍电子细分，细分数很高，
7、所以精 度就不高，成本低，能还原精度，抗污染，抗恶劣环境，包括强辐射环境。可浸 在水中，油压中，或在铁屑中，由于是全封闭的金属结构，可以承受一定的碰 撞，冲击和振动，前提是机床要求精度不高时有其优点。工作的原理和磁栅相 似。最为著名的生产厂家有英国的新和（NEWALL）电子公司。.光栅-栅距是0.02mm到0.005mm的显示精度需要4倍频电子细分，细分数是很低， 精度很高，制作成本相对比较低，现已占据长度位移传感器市场的80%以上，但 是由于玻璃热膨胀系数与钢材不一致，制作时有温度要求，在20cC恒温时此项 误差可排除（玻璃线胀系数8 p m/m C，钢材线胀系数10-12卩m/m C）。另
8、 夕卜，玻璃光栅容易碎，这些是其的缺点。长玻璃光栅可用接长的方法或用不锈钢 带来制作。最具代表性的是具有 120多年光刻制造技术的德国海德汉公司（HEIDENHAIN）。位置测量与数显技术的迅速发展与精密机械工程和电子技术的发展密不可分，象我们公司 光栅尺的应用基础是摩尔（莫尔）条纹特性，其实在1874年物理学家瑞利就已发现了这一重要现 象，但直到八十多年以后，上世纪50年代，随着光栅复制技术和电子技术的发展才得到实际 应用。而在50年代60年代，由于电子装置可靠性低，玻璃的制造工艺落后，数显技术发展 较慢。70年代中，大规模集成电路和微机的产生，普及和应用数显技术进入了一个全新的时 代，80
9、年代以后数显装置体积缩小，性能提高，功能日趋完善，成本降低，可靠性提高，出现 了快装整体盒式结构，使数显技术迅速普及，象数显卡尺、千分尺、百分表、高度尺等多种数 显量具。数显应用的另一重要领域是计量仪，其代表是三坐标测量机，而象我们信和的数显系统， 其本身已实现了在线测量反馈控制的应用。通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数 字脉冲信号用作位置反馈信号或位置显示信号，我们知道数控机床是用数字化的信息来实现控 制，具体讲是检测、定位、控制。分开环，半闭环和全闭环系统。那么全闭环数控机床是数控装置将指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号随时比较 ，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规
10、律进行转换得到进给伺服系统的速度指令。 另一方面，还利用和伺服电机同轴刚性的测速元器件，随时实测驱动电机的转速，得到速度反 馈信号，将它与速度指令信号相比较，以其比较的结果即速度误差信号，对驱动电机的转速随 时进行校正，上述是两个回路的控制，一是位置控制，二是速度控制，只控制速度我们称作半 闭环进给系统，现在大多数数控机床多采用半闭环进给系统，与闭环系统相比，易于实现系统 的稳定性，但是它的位移精度比闭环系统的要低。光栅传感器在数控机床里是一个重要的组成 部分，做位置控制，是构成全闭环的必不可少的部分，而在数显技术里只作位置检测。2、光栅检测的基本原理我们信和光栅数显有限公司的产品是以光栅传感
11、器作长度测量装置的一个完整系统，它由 两大部分组成：光栅数显表，光栅传感器。光栅传感器是直线光栅传感器，它是由标尺光栅， 读数头（含指示光栅）组成。光栅测量的基本原理：我们知道光已有了 300多年的研究历史，光本身是有强度的，其本 身有折射、透射、反射和衍射的光学性质我们利用光学的窄缝效应，当两例光栅发生相对运动 时，全暗、全明、半明半暗，放置光敏元件，就得到了光强度的变化，栅距也就是一个周期为 0.02mm时，根据公式可以计算出经过一个明暗周期光栅的位移量，当8角足够小时其放大比超过 1000倍，1/8的值很大，好像条纹是栅线的放大像，但却不需要任何光学放大系统。在相距 1/4莫尔条纹间距位
12、置放置两个光敏元件，当莫尔条纹移动时，就得到了两路相差90度的正弦 波形，得到光强度的变化，移动时及时把信号反映出来，但由于光敏元件把光的强度变成电压 变化的过程中是不断变化，因为很小的电压输出（在0.5V以下）有干扰时根本无法正确读出 来。这时通过整形电路，比较放大成方波以脉冲的形式输出，移动时，读出来的方波是这样的数 字,0（黑）、1 （白）、0 （黑）、1 （白），一个芯片可以计二列数，一路计数，一路判别方向， 这也就是A、B相的可逆计数，两列波经处理，采样周期非常快，各自可以单独计数，来一个 脉冲减一个数，脉冲的数给CPU, CPU主控协调各个方面的工作，显示模块点亮组合它，让我 们从
13、数显表上一目了然读到检测过程中的数据。我们总结以上用一句话，光栅尺属于位置检测 的一种，它是靠一种莫尔条纹的放大效应，通过光电转换来实现控制。光栅检测的基本原理：由光源1,透镜2,指示光栅3,光电元件4,驱动电路5,以及标 尺光栅6组成，前5个元器件安装在同一支架上，构成光栅读数头，它固定在执行部件的固定 零件上，标尺光栅则安装在执行部件的被测移动零件上，当标尺光栅与指示光栅相对移动时， 通过读数头的光电转换，把微弱的模拟信号变成数字信号，发送出与位移量相对应的数字脉冲 信号用作位置反馈信号或位置显示信号。6插尺光柵宙对于长线传输或不同需要可将产生出来的位移脉冲进行处理，一般为加驱动和差分驱动
14、。 单驱-加驱动：增加信号脉冲的电流驱动能力双驱-差分驱动：为了增强信号的抗干扰能力，多采用差分输出方式，即为一个信号输入经 过反相后和原来的信号一起输出。EIA-422-A信号输出：信号周期-1AA彳BB一；_ _ Jz nZ 厂1=信号周期JA飞厂丄 一5V1BJ厂|90。相位差ZnTTL信号输出:、光栅尺光栅尺指的是标尺光栅与指示光栅，根据制造方法和光学原理不同，光栅可分透射光栅和 反射光栅，透射光栅就是在经磨制的光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅 线纹，光源可从垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转 换器的结构简单，缺点是玻璃易裂，热胀系数
15、与机床金属部件不一致，影响测量精度。、光栅读数头Z/i1N27L2GiNPNGs光栅读数头与标尺光栅配合起光电转换作用，将位移量转换脉 冲信号输出，我们公司读数头为垂直入射读数，另外还有镜像读 数头和反射读数头，反射读数头用于反射光栅。反射读数头安装 时，应保证指示光栅Gi与反射光栅Gs的平行度和间隙。从光源 0发出的光，经透镜L1得到平行光，并以对光栅表面成角的 入射角经透射指示光栅Gi投射到标尺光栅Gs的反射面上，反射 回来的光信号先通过指示光栅Gi形成莫尔条纹，然后经透镜Lz 由光电元件P接收。在我们所安装超过三米长的钢带做的光栅尺 就是采用反射式读数头。、关于莫尔条纹有以下特点：Rayleigh于1874年这样叙述“如果把每英寸具有同样数目的刻线的两块光栅置于接触状 态，并使他们的刻线接近于平行，则会产生一组平行的条纹，其方向等分两光栅刻线之外角， 条纹间距则随刻线夹角的减小而增大。”当光栅移动时，莫尔条纹相应移动。 放大作用K=1/0k为放大比，当夹角足够小时，1/0的值很大，好像条纹是栅线的放大像，但却不需要任何
