第章数控机床检测技术

福州大学机械工程及自动化学院NumericalControlTechnologyE_MAIL:.edu第七章数控机床检测技术本章学习几种常用位置传感器的结构、原理，并讨论它们在直线位移和角位移中测量、控制的应用。※一、数控测量装置的性能指标及要求

※

二、检测装置的分类※三、数控机床常用检测元件内容：位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件C插补指令实际位置反馈实际速度反馈在数控机床中，检测装置有位置、速度和电流检测。

构成闭环控制检测系统的精度决定了数控系统的精度和分辨率。在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。位置测量装置实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。位置测量装置是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。

一、数控测量装置的性能指标及要求

符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。要求：高精度和高速实时测量（精度高响应快）。检测精度：±0.001～0.02mm/m传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下：应适应机床精度和伺服系统的要求。0.001～0.01mm/m灵敏度高、一致。速度响应

1～10m/min，30～90m/min可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。致，称为迟滞。迟滞小。对某一输入量，传感器的正行程的输出量的不一1.精度

2.分辨率

3.灵敏度

4.迟滞5.测量范围和量程6.零漂与7.其它：

不同类型的数控机床对检测装置的精度和速度适应性的要求各不相同。——以满足速度要求为主——以满足精度要求为主大型机床中小型机床选择检测装置分辨率的原则：比加工精度高一个数量级。二、检测装置的分类按检测信号类型数字式模拟式增量式绝对式按测量方法按运动型式回转型直线型按安装的位置及耦合方式直接测量间接测量按信号转换的原理光电效应光栅效应电磁感应原理压电效应压阻效应和磁阻效应等

1、数字式测量和模拟式测量数字式测量

它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。模拟量测量

它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。特点：

※

被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；

※测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；

※测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。特点：※直接测量被测的量，无需变换；

※主要用于小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。2、增量式测量和绝对式测量增量式测量在增量式测量中，某著名企业部件每某著名企业一个基本单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。如测量单位为0.001mm，则每某著名企业0.001mm就发出一个脉冲信号。一个脉冲代表的基本长度单位就是分辨率，对脉冲计数就可得到位移量，增量式测量只测相对位移量。优点：测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。

缺点：移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。如出某种事故，无法恢复。对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值（编码），通常以二进制形式表示。绝对式测量其结构较增量式复杂，如绝对编码器中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。绝对式测量即使断电后再重新上电。系统能读出当前位置的数据，不需重新归零。3、直接测量和间接测量直接测量直接测量是将直线型检测装置安装在某著名企业部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点：准确性高、可靠性好；缺点：测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。间接测量将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点：测量方便、无长度限制。缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。4、检测元件的分类表分

类

增

量

式

绝

对

式

位移传感器

回转型——脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅

多极旋转变压器、绝对脉冲编码器

绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器

直线型——直线感应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪

霍耳位置传感器

三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器

速度传感器

交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器

速度—角度传感器、数字电磁、磁敏式速度传感器

电流传感器

霍耳电流传感器

三、数控机床常用检测元件（一）旋转变压器(四）光栅（五）磁栅(二）感应同步器（三）脉冲编码器（一）旋转变压器1、结构与工作原理54318762旋转变压器结构示意

1-转轴2-轴承3-机壳4-转子铁心5-定子铁心

6-端盖7-电刷8-集电环

工作原理：电磁感应分类：有电刷集电环结构无刷结构单对极元件多对极元件旋转变压器（Resolver）是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。简称旋变，又称作解算器或分解器。无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、不用维修及输出信号大等优点，是数控机床常用的位置检测装置之一。无刷旋转变压器的结构①分解器②变压器变压器的一次绕组与分解器转子轴固定在同一线轴上，与转子一起转动；变压器的二次绕组绕在与转子同心的定子轴线上（高导磁材料）。分解器变压器分解器定子线圈接外加的励磁电压分解器的转子线圈的输出接到变压器的一次绕组。从变压器的二次绕组引出最后的输出信号。旋转变压器根据互感原理工作，与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。当定子加大励磁电压，转子绕组产生感应电势，如图所示。其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线间的夹角。两者平行时感应电势最大，两者垂直时感应电势为零。感应电势随着转子偏转的角度呈正(余)弦变化，即：式中：E2—转子绕组感应电势；U1—定子励磁电压；Um—幅值；α—两绕组轴线间夹角；K—变压比(绕组匝数比)。E2=KU1cosα=KUmsinωtcosα

旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。定子转子单极旋转变压器的结构和工作原理实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如下图所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出。定子转子S1R1S2S3S4R2R3R4VsVc定子转子θΦcΦs正余弦旋转变压器工作原理应用叠加原理，其磁通为转子输出电压则为2、旋转变压器的应用

转子输出信号的相位角(ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。∴通过比较相位就可确定转子的转角。（1）鉴相工作方式Vs=VmsinωtVc=VmcosωtVsVcE2定子两相绕组励磁

定子两相正向绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90°正弦交变电压。KV

ccos（α+90°）两相励磁电压在转子中产生的感应电动势可见，E2与VS同频，但相位不同，差值为α。E2=KV

scosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

Vs=Vmsinα电sinωtVc=Vmcosα电sinωt

VsVcE2定子两相绕组励磁

给定子两相绕组分别加上频率、相位相同，幅值分别按正弦和余弦变化的交变激磁电压。2.鉴幅工作方式

感应电势E2是以ω为角频率、以KVmsin(α电-α机)为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，只要测出E2

幅值，便可间接的求出机械角α机，从而得出被测角位移。

幅值E2=KV

scosα机-KV

csinα机=KV

m

sinωt(sinα电cosα机-cos电sinα机=KV

m

sin(α电-α机)sinωt其中：α电－电气角α机－定、转子夹角特殊情况E2=0时，说明电气角的大小与被测角大小相同。若不断地修改激磁调幅电压幅值的电气角α电，使E2=0，即跟踪α机的变化，则此时机械角位移α机即为电气角α电。这就是鉴幅采用的工作方式。两种工作方式需要将被测角位移限制在±π以内，才能唯一确定θ的大小，属于动态跟随检测和增量式检测(二）感应同步器1、感应同步器及其分类感应同步器是一种电磁感应（电磁耦合）式的高精度位移检测装置，实际上，可将其视为多极旋转变压器的展开形式。按其直径与级对数的不同，有多种型号分类旋转式直线式标准型窄型带型三速式（绝对式）用于角度测量用于长度测量两者工作原理相同，都基于电磁感应PP/42、直线感应同步器的结构由定尺和滑尺两部分组成，两尺之间有均匀的气隙。定尺表面制有连续平面绕组，绕组节距为P滑尺上制有两段分段绕组，分别称为正弦绕组（Sin绕组）和余弦绕组（Cos绕组），它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（1/4P）定尺和滑尺的基板通常采用与机床床身材料的热胀系数相近的钢板，用绝缘粘接剂把铜箔粘在钢板上，经精密的照相腐蚀制成印刷绕组，再在尺子表面上涂一层保护层。滑尺表面有时还贴上一层带绝缘的铝箔，以防静电感应。

2、感应同步器的工作原理感应同步器与旋转变压器类似，使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应，在定尺绕组中产生感应电动势，其幅值和相位（频率相同）取决于定尺与滑尺的相对位置，见左图。按照供给滑尺两个正交绕组励磁的不同信号，感应同步器的测量方式分为鉴相测量方式和鉴幅测量方式。Us=UmsinωtUc=Umcosωt（1）鉴相方式在这种工作方式下，给滑尺的sin绕组和cos绕组分别通以幅值相等、频率相同、相位相差90°的交流电压。

励磁信号将在空间产生一个以ω为频率某著名企业的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺相对位置不同而产生超前或滞后的相位差θ。按照叠加原理可以直接求出感电势： Uθ=KUmsinωtcosθ-KUmcosωtsinθ=Kumsin(ωt-θ)式中θ=2πx/P由此可见，在一个节距内θ与x是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位θ即可测量出定尺对滑尺的位移x。感应同步器鉴相测量系统框图放大滤波基准信号发生器鉴相器

放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元VsVc滑尺定尺机床+x-x脉冲调相器输出一系列一定频率的基准脉冲信号（载波信号），为伺服系统提供一个相位比较基准。其作用是将来自数控装置的进给脉冲信号转换为相位变化的信号。如果相位差不为零，说明工作台实际某著名企业的距离不等于指令信号要求工作台某著名企业的距离，鉴相器检测出的相位差，经放大后，送入速度控制单元，驱动电机带动工作台向减少误差的方向某著名企业。若相位差为零，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同，鉴相器输出电压为零，工作台停止某著名企业。鉴相器的作用就是鉴别出这两个信号的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。例如：感应同步器的节距P(P=2τ

)为2mm，脉冲当量选定为δ=0.001mm，一个脉冲对应的相移角Δθ1为：数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变为超前基准信号一个0.18°相移角的信号，即Δθ1=θ1－θ0=0.18°。此时因工作台未动，反馈信号相对于基准信号的相位差Δθ2=θ2－θ0=0（θ2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位）。鉴相器将δ＝Δθ1－Δθ2=0.18°的相位差检测出来，经放大后控制伺服电动机带动工作台某著名企业。随着工作台的某著名企业，θ2逐渐增大，相位差δ逐渐减少，直至δ＝0。（2）鉴幅方式Us=Umsina电sinωtUc=Umcosa电sinωt在这种工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压：

若电气角a电已知，只要测量出Uθ的幅值KUmsin(a电-a机)，便可间接地求a机。若a机=a电，则Uθ=0。一旦Uθ=0，说明a电的大小就是角位移的值。 此时，若滑尺相对定尺某著名企业一个距离x其对应的相移为a机，那么在定尺上感应电势为：

Uθ=KUmsina电sinωtcosa机-KUmcona电sinωtsina机 =KUmsinωt(sina电cosa机-cosa电sina机) =KUmsinωtsin(a电-a机)

假定激磁电压的a电与定尺、滑尺的实际位置a机不一致时，设a机=a电+Δa，则由式Uθ=KUmsinωtsin(a电-a机)得：Uθ=KUmsinωtsin(a电-a电-Δa)=-KUmsinωtsin(Δa)在相差△a很小时，sin△a≈△a故上式可近似表示为：Uθ=-

KUmsinωt·Δa又∵

Δa=2πΔx/p

上式表明，当位移△x很小时，感应电势Uθ的幅值与△x成正比。这就是对位移增量进行高精度细分的依据。

∴

例如，当△x=0.01mm时，使Uθ达到某一门槛电平，并产生一个脉冲信号，用这个信号又去控制修改励磁电压线路，使其产生合适的Us和Uc，从而使Uθ重新为零。该方法与旋转变压器幅值工作方式相同。在这里用这种方法，把位移量转化为数字量——脉冲，以达到测量和控制的目的。

4、感应同步器的特点（1）精度高。因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得很高。（2）工作可靠，抗干能力强。在感应同步器绕组的每个，测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰影响。（3）维护简单，寿命长。定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片，不受灰尘、油雾影响。

（4）测量距离长。可测量长距离位移。机床某著名企业基本上不受限制；故适合大、中型机床。（5）成本低，产（6）与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要一个放大倍数很高的前置放大器。（三）脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置（对某著名企业部件作半闭环控制）。同时也作为速度检测装置用于速度检测。1、脉冲编码器的分类光电式接触式电磁感应式从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其他两种。数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的脉冲编码器有2000p/r和3000p/r等；在高精度数字伺服系统中，高分辨率的脉冲编码器，如20000p/r、25000p/r和30000p/r等，现已使用10万p/r脉冲编码器，其应用了微处理器。2、脉冲编码器的结构如图圆光栅为一圆盘，在圆盘的圆有相等间距线纹，分为透明和不透明的部分。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对的，平行放置一个固定的扇形薄片，是指示光栅，上面制有相差1/4节距的两个狭缝（在同一圆，称为辨向狭缝），使两个光电元件输出信号相位差90°。此外，还有一个零位狭缝（一转发出一个脉冲）。

脉冲编码器通过无键联轴器、十字连接头或键与伺服电动机相连，它的法兰盘固定在电动机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。光敏元件3、光电脉冲编码器的工作原理当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的某著名企业号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B（见图）。A和B信号相位相差90°，经放大和整形变成方波。通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲”，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉用来产生机床的基准点。ωt

AB90°

90°

光电脉冲编码器的输出波形

AB针脚号1084297316定义５V0VA+A-B+B-Z+Z-屏蔽端子电缆颜色红黑白灰绿蓝黄橙棕脉冲编码器输出信号有A、A、B、B、Z、Z等信号，这些信号作为位移测量脉冲，进行位置调节；经过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。输入电压常用的有：DC5V、DC12V、DC24V±5%差分整形放大

Y1微分差分

整形放大Y21

微分减计数加计数上图为辨向环节框图。脉冲编码器输出的交变信号A、A、B、B经过差分驱动和差分接收进C装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列A1、B1。将A1和它的反向信号A1微分（上升沿微分）后得到A1´和A1´脉冲系列，作为加、减计数脉冲。增量读数法B1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前B），由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平（如下页波形图）；反走时（B超前A），由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。辨向环节波形图A1超前B14、绝对值编码器绝对值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置住处不丢失。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码（葛莱码）

、二进制补码等。绝对值编码器的种类接触式光电式电磁式

优点是简单、体积小、输出信号强，不需放大；缺点是电刷摩擦、寿命低、转速不能太高（几十转/分）没有接触磨损、寿命长、转速高，最外层每片可以做得更小，因而精度高。单个码盘可做到18位进制。缺点是结构复杂、价格高。是在导磁性好的软铁和薄膜合金圆盘上，用腐蚀的方法做成相应码制的凹凸图形，当磁通通过码盘时，由于磁导大小不一样，其感应电势也不同，因而可区分“0”和“1”，达到测量的目的。该种码盘是一种无接触式码盘，具有寿命长、转速高等优点。它是一个有发展前途的直接编码式测量元件。光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器，由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆分，其数量从几百条到几万条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的某著名企业号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。

6、绝对编码器1)绝对式码盘结构与工作原理四位二进制编码盘

绝缘体

导电体

电刷

R

20

21

22

23

E

码盘码盘上有心圆（称为码道）它代表某种计数制的一位，每个同心圆上有透光与不透光（或绝缘与导电）的部分，透光（或导电）部分为“1”，不透光（或绝缘）部分为“0”，这样组成了不同的图案。每一个径向，若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值。二进制码盘每转一个角度，计数图案的改变按二进制规律变化。码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、0010……1111。由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360°/16=22.5°，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360°/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。

左图为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。葛莱码盘例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）2）混合式绝对值编码器这种编码器是把增量制码与绝对制码同做在一块码盘上。在圆盘的最外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割成16个等分段。圆盘最里在有发一转信号狭缝。该码盘的工作原理是三极计数：粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置由葛莱码的4×16不同数值表示。每1/4圆葛莱码的细分由最外圈增量制码完成。(四）光栅光栅（尺）是一种高精度的检测元件，常用于全闭环系统中。在数控机床上，使用光栅作为位置检测装置。它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈C装置，实现闭环位置控制。1、光栅分类透射式反射式按光学形式分：---光源与光电元件在两侧→透射光---光源与光电元件同一侧→反射光直线型旋转型按运动形式分：---主光栅为直尺形→直线某著名企业---主光栅为圆盘形→旋转运动现在光栅精度可达微米级，通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辩率。标尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证与指示光栅有准确的相互位置关系。2、光栅的结构光栅光栅尺光栅读数头标尺光栅(主光栅)

指示光栅（动光栅)光源透镜指示光栅光敏元件驱动线路装在光栅读数头中装在机床固定部件上光栅读数头又叫光电转换器，它把栅莫尔条纹变成某著名企业号。决定测量范围，刻线密度25～250线/mm，一般固定在机床活动件上(如工作台上)光栅标尺光栅和指示栅的平行度及两者之间的间隙（0.05～0.1mm）要严格保证。当光栅读数头相对于标尺光栅某著名企业时，指示光栅便在标尺光栅上相对某著名企业。(1)莫尔条纹（Moire）均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹某著名企业3、光栅工作原理动光栅主光栅p-光栅栅距a-刻线宽度b-缝隙宽度pab当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度θ放置时，两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黄线重叠，形成黄色条纹，其他部分为暗色条纹纹。这种明、暗的条纹称为“莫尔条纹”。条纹宽度：

P-栅距，a-线宽，b-缝宽一般：P=a+b，a=b=P/2

1）当=0,P1=P2

→W=

→光闸莫尔条纹θ很小sinθ≈θ

p-光栅栅距a-刻线宽度b-缝隙宽度pab2）当=0,P1≠P2

→纵向莫尔条纹特例：如：P=0.01mm，θ=0.01rad，可得W=1mm，把光栅转换成放大100倍的莫尔条纹宽度。莫尔条纹某著名企业方向与光栅某著名企业方向垂直。这样测量光栅水平方向某著名企业的微小距离就用测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。当光栅尺某著名企业一个栅距P时，莫尔条纹也刚好某著名企业了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅某著名企业了多少个栅距，工作台某著名企业的距离可以计算出来。若光栅某著名企业方向相反，则莫尔条纹某著名企业方向也相反。莫尔条纹特性：

方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅某著名企业方向垂直

同步性：光栅某著名企业一个栅距→莫尔条纹某著名企业一个间距与方向对应

放大性：夹角θ很小→W

>>P→光学放大→提高灵敏度

可调性：夹角θ↓→条纹间距W↑→灵活

准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度

（2）光栅测量位移的原理光栅位移－数字转换原理

当光栅某著名企业一个栅距，莫尔条纹便某著名企业一个条纹宽度，假定我们开辟一个小窗口来观察莫尔条纹的变化情况，就会发现它在某著名企业一个栅距期间明暗变化了一个，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图A）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见图B），经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分、输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表某著名企业了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的某著名企业距离。电压O光栅位移图B光栅的输出波形图图A光栅的实际亮度变化亮度光栅位移O1）辨向原理如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向某著名企业还是反向某著名企业，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨某著名企业方向的。为此，必须设置辨向电路。（3）辨向及细分

为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅某著名企业时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的某著名企业号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅某著名企业方向。2）细分技术

细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分。四块硅光电池P1、P3信号相位差180°，差动放大后，得正弦信号。P2、P4信号送另一个差动放大器，得余弦信号正弦和余弦信号整形得方波A和B与门Y1~Y8或门H1、H2输出正向脉冲输出反向脉冲H1H2Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差动放大器

差动放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B

A

D

Ca)细分原理电路图A’C′B’D’经微分后分别变成窄脉冲A′、B′、C′、D′A、B反向得信号C、D图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号，接差动放大器放大，得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦和余弦信号经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的某著名企业方向形成正向或反向脉冲。正向运动时，用与门Y1~Y4及或门H1，得到A′B+AD′+C′D+B′C的四个输出脉冲；反向运动时，用与门Y5~Y8及或门H2，得到BC′+CD′+A′D+AB′的四个输出脉冲，其波形见图。正向相加A′B+AD′+C′D+B′C反向相加BC′+CD′+A′D+AB′四倍频辨向电路

sincosBCDA’B’C’D’A’B’C’D’正走反走波形图A

增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表某著名企业了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。

如：若光栅栅距0.01mm，则工作台每某著名企业0.0025mm，就会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。(4)光栅传感器特点

①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数，断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→、湿度、灰尘、振动、某著名企业精度⑥成本高：电路复杂3）零位光栅在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅。（五）磁栅1、磁栅的结构磁栅也叫磁尺，是一种高精度位置检测装置。磁性标尺拾磁磁头检测电路磁栅由非导磁性材料（如玻璃、不锈钢、铜及其他合金材料）制成。用涂敷、化学沉积或电镀方法制作在磁性标尺基体上，且成薄膜状。磁性膜厚度为10～20μm，均匀地分布在基体上。磁性膜上有录制好的磁波，作为测量的基准。波长一般为0.005、0.01、0.20、1mm等几种。为了提高磁性标尺的寿命，一般在磁性膜上均匀地涂上层1～2μm的耐磨塑料保护层。是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成某著名企业号。磁性标尺基体磁性膜

应用在磁栅上的磁头与一般录音机上用的单间隙速度响应式磁头不同，它不仅在磁头与磁头标尺之间有一定相对速度时能拾取信号，而且在它们相对静止时也能拾取信号。这种磁头叫磁通响应型磁头。磁通响应型磁头的结构如图，该磁头有两组绕组，绕在磁路截面尺寸较小的横臂上的励磁绕组和绕在磁路截面较大的竖杆上的拾磁绕组（输出绕组）。磁性标尺