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1、7-2光栅的光电读数一、概述计量光栅技术一百多年以前，光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长测 定（dsin0=mX , d为栅距，9为衍射角，m=0, 1,九为波长）。但是,光栅测量原理将光栅实际应用到长度计量及机床数控等领域，则是本世纪五十年代以后的事 在最近一二十年内，由于应用在工业计量领域中的光栅技术得到了飞速的发展 故目前将这一领域中发展起来的光栅技术称为计量光栅技术，以表示与应用在 其它领域中的光栅技术相区别。被测物长度xYabTNdL3图 7-2-1 被测物长度为Xx = ab = +Nd+ =Nd+612d栅距N 一一 ab间光栅栅线对数5=5 +6代表不足一个栅距的
2、小数12 将 5 细分6=mT （m=0,l,2,3，可能大于n）,分辨率t = 9,栅距 d=nxn则x=Nd+5=N.nT+m测量方程式式中M=N n+m是以细分系统的分辨率为最小测量单位同理:圆光栅测量方程式+mT =Mt分辨率 三种数字式光栅测量系统原理方案1. 直接计数系统(只计d的整数倍)采样电路 一-计数编码电路 一- 计数和显示2. 整数、小数分别处理系统3.全细分电路系统取样电路k细分电路k计数和显示二、莫尔条纹定位测量原理莫尔条纹原理1. 莫尔条纹方程y=x (1- d2 ) ctg0kd (1)d cos0sin01式中：d , d为光栅栅距，0为光栅交角，k为整数，k=
3、0, 1, 土 2,12莫尔条纹为两组直线交点i, j = i+k莫尔条纹斜率tga=(l- d2) ctg0 (2)d cosBl截距kdb =一2ksin03)2. 莫尔条纹宽W=W cosa=y/w图 7-2-2b 一 b )kkldlcosa .sin。v1+tg2a2）式代入得w=sin0卩+(1-.d cos0*i、COS20)2 -sin 20dd, 1 2 -：d 2+d 22d d cos01 2 1 24）2. 讨论 横向莫尔条纹当d =d =d, 0 H 0时（2）式变为：12cos0100a=_2即莫尔条纹与X轴夹角a是两光栅交角9之半4）式变为w= = I d =_d
4、 （0很小时成立） 心2（1cos0）；2 x 2sin2 2sin 2 2 光闸莫尔条纹当d =d =d, 0 = 0时，由（4）式知W12 这时,两光栅相对移动时,光栅副对入射光就像闸门一样时开时关,视场时明 时暗；两光栅副移动一个栅距,视场明暗变化一次。 纵向莫尔条纹当d丰d , 0 =0时形成纵向莫尔条纹12IIIIIIIIIIIIMHII图 7-2-3莫尔条纹特点1. 莫尔条纹运动方向和光栅运动方向近似垂直，随光栅运动方向变化而变化。2. 具有位移放大作用k=w=1莫尔条纹放大倍数d00很小 例：0 =20,则k=17290.00583. 具有平均光栅误差的作用 莫尔条纹是由光栅一系
5、列刻线的交点组成，综合栅距误差用偶然误差合成综合平均A= 土vN式中5为单个栅距误差N为栅线数5 2+5 2+ 5 2 N5 25A=土=土、=NN寸N三、光栅信号的光电计数计数脉冲的形成要求：在没有细分的情况下，每通过一个莫尔条纹，计数器计下一个脉冲，并 能区分正反向脉冲。某一相信号电压：V = V + V sin（手x） = V + V sin（孚vt） = V + V singt）0 m d0 m d0 m-sin 9-cos 9原理框图如下所示：（解释:如果单向计数测量,则只需对一个探测器信号进行处理;采用四个探测器 是同时兼顾了正、反向测量及位移量细分.下一个问题中讲到） A取样:取
6、1,3探测器（sin 9 -sin 0 ）相位差为n的两个信号（含直流V 二 V + Vsin （t + 0）二 V + Vsin t1 0 1 0 1V = V + Vsin（t + 兀）=V -Vsint3 0 1 0 1B取样:取2,4探测器（cos 0，-cos 0 ）相位差为n的两个信号（含直流）兀V = V + V sint +） = V + V cos t2 0 1 2 0 13兀V = V + V sint +） = V - V coset4 0 1 2 0 1 差分放大:V = V - V = 2V sinet T 2sin61,3131V = V - V = 2V cose
7、t t 2cos02, 42 4 1 整形:用过零点比较电路将正弦波变为方波,也称鉴零器。（消除直流电平漂移） 微分:过零触发,形成正、负点脉冲。tF图7-2-52心因花张心:测量方向的判别V论I电乞5訥 卜 丄商二世2 L 4卫由潞搞鯛）/斗Jr飞丄E论卑加A二七图 7-2-6采用两路相反信号差分析得到信号虽然可以有效消除直流电平漂移，但是， 当光栅作正与反相对运动时，得到的都是相同的交变信号，在电气特性上并无 差别。因此并不能解决判向问题，可以采用两路相位之差90。的正交信号。如图中W与W相位之差90。，可比讪滞后90。，例如：当t=0时，W取极大 值且随光栅相对运动逐渐减小（点a）,而对W信号，这个相同的状态（点b）要经过-T以后才出现。4 0如果两光栅间的相对运动方向在I瞬间突然反向，则由图可见，W信号就 会马上变为比W超前1T。相当于在断点处把负方向的图形折叠过来：用-0换 4 00。（三）波形图：QP十Ut.i| i呼巧* ITOlfitSS叫史脚弦上二(ActtJ t Ur W =(XcS)十尤艮图 7-2-8
