光柵尺、電子尺、光柵位移傳感器、直線編碼器工作原理及工作方式-技術文章-上海鑫天精密儀器有限公司

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光柵尺、電子尺、光柵位移傳感器、直線編碼器工作原理及工作方式

閱讀：3092 發(fā)布時間：2021-9-1

光柵尺、PLC光柵尺

光柵尺工作原理

常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。圖4-9是其工作原理圖。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質：

(1) 當用平行光束照射光柵時，透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數(shù)。

(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關系為W=d／sin當角很小時，上式可近似寫W=d／θ

若取d=0.01mm,θ=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，無需復雜的光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個重要特點。

(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個別線紋之間的柵距誤差具有平均效應，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。

(4) 莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動相對應。兩光柵尺相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對移動的方向垂直，且當兩光柵尺相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。

根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假如我們在莫爾條紋移動的方向上開4個觀察窗口A，B，C，D，且使這4個窗口兩兩相距1／4莫爾條紋寬度，即W／4。由上述討論可知，當兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋隨之移動，從4個觀察窗口A，B，C，D可以得到4個在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對移動的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函數(shù)的光強度變化過程，用表示，見圖4-9(c)。若采用光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀察窗口的光強度變化轉換成相應的電壓信號，設為。根據(jù)這4個電壓信號，可以檢測出光柵尺的相對移動。

1．位移大小的檢測

由于莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動是相對應的，故通過檢測這4個電壓信號的變化情況，便可相應地檢測出兩光柵尺之間的相對移動。每變化一個周期，即莫爾條紋每變化一個周期，表明兩光柵尺相對移動了一個柵距的距離；若兩光柵尺之間的相對移動不到一個柵距，因是余弦函數(shù)，故根據(jù) 之值也可以計算出其相對移動的距離。

2. 位移方向的檢測

在圖4-9(a)中，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿正方向移動，這時，莫爾條紋相應地沿向下的方向移動，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過程和及輸出的相應的電壓信號和如圖4-10(a)所示，在這種情況下，滯后的相位為／2；反之，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿負方向移動，這時，莫爾條紋則相應地沿向上的方向移動，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過程和及輸出的相應的電壓信號和如圖4-10(b)所示，在這種情況下，超前的相位為／2。因此，根據(jù)和兩信號相互間的超前和滯后關系，便可確定出兩光柵尺之間的相對移動方向。

工作原理：

直線光柵尺和旋轉編碼器均依據(jù)相對運動的原理來產(chǎn)生光信號，這些信號經(jīng)過光電器件的轉換處理后，用來檢測機械裝置的位移。FAGOR公司反饋產(chǎn)品采用兩種不同的材料來產(chǎn)生反饋信號：

1.刻線玻璃尺（直線光柵尺有效測量長度3米以下使用）刻線玻璃盤片（旋轉編碼器）

2.刻線鋼帶尺（直線光柵尺有效測量長度3米以上使用）

測量過程：

FAGOR公司反饋產(chǎn)品提供的輸出信號是由光源通過刻在直線尺或盤片的柵格線后，再經(jīng)光電轉換裝置的處理產(chǎn)生的。讀數(shù)裝置由光源、刻線玻璃與柵格窗、以及光電二極管接收裝置組成。FAGOR公司反饋產(chǎn)品采用紅外發(fā)光二極管（IRED）作為光源，這種光源具有安全、壽命長的特點。

1.刻線玻璃反饋系統(tǒng)

紅外線光束被光電二極管接收前，先通過有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗，有刻線軌跡的板與柵格窗間的相對運動回產(chǎn)生正弦波形式的光波，這種光波經(jīng)光電二極管接收后，會轉換成最初始的電流正弦波信號，這些電信號的周期與柵距是一樣的。

光柵尺工作原理