机电一体化 课件 3.3.2 光栅尺

3机电一体化检测传感技术

任务3.3位移传感器

──3.3.2光栅尺的应用

1光栅尺的外形及结构3自由度数显表4辩向原理5细分技术2光栅尺的工作原理任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件，

用于位移检测的光栅称为计量光栅。光栅尺一、光栅尺的外形及结构任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

光栅传感器是一种非接触式型光电测量系统，它利用光衍射现象产生干涉条纹的原理制成。光栅尺精度高（可达1μm以上）、响应快、量程大，广泛应用于机床直线位移或角位移的精密测量。

HEIDEHAIN公司光栅尺产品图任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构光栅尺常分为长光栅和圆光栅，长光栅测量长度，圆光栅测量角度。以长光栅尺为例，它是由：

主光栅(标尺光栅)、指示光栅(读数头光栅)、光源（光电二极管）和光敏接收器件（如硅光电池）组成。

主光栅长（同最大行程），指示光栅短。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构7任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用1.光栅尺的外形及结构在两个光栅上刻有条纹（光刻或镀镆），其密度一般为每毫米25条、50条、100条等。标尺光栅装在机床运动部件上称“动尺”，读数头光栅则装在机床固定部件上称“定尺”。当运动部件带“动尺”移动时，读数头光栅和标尺光栅也随之产生相对移动。2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

莫尔干涉条纹光栅尺的指示光栅与主光栅（标尺光栅）平行安装，之间保持很小距离（0.05-0.1mm），并使它们的刻线互相倾斜小角度θ当主光栅随工作台移动时，在光源照射下，由于主、副光栅刻线的挡光作用和光的衍射作用，在与刻线垂直的方向上就会产生明暗交替、上下移动、间隔相等的干涉条纹，称为莫尔条纹任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用长光栅莫尔条纹播放动画任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用播放中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

光栅尺每移过一个栅距W，莫尔条纹也恰好移动一个节距B。若用光电器件将这种干涉条纹明暗相间的变化接收、转换成电脉冲数，用计数器记录脉冲数，测得莫尔条纹移过的数目，便得主光栅尺移动的距离，就是被测机械移动距离。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用

改变θ的大小可调整莫尔条纹的宽度，θ越小、B越大，这相当于把栅距放大了1／θ倍。例如，对于刻线密度为100/mm的光栅，其W=0.01mm，如果通过调整，使θ足够小，例如θ=0.001rad(0.057°)，则B=0.01/0.001=10mm，其放大倍数为1000倍，从而无需复杂的光学系统，简化了电路，大大提高了精度，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。式中：B-莫尔条纹节距W--光栅栅距θ--两光栅的刻线夹角总位移X=N.W。N为莫尔条纹移过的数目任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用2.光栅尺的工作原理---莫尔干涉条纹的放大作用安装有直线光栅的数控机床加工实况任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用3.3自由度数显表任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用3.3自由度数显表4.辩向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往是不固定的。无论标尺光栅还是指示光栅，当它们向前或向后移动时，在光电传感器中观察的结果均是莫尔条纹做明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号是无法判别光栅移动方向的，这时，需要两个有相位差的莫尔条纹进行辨向。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用为了判断方向，可以用两套光电转换装置。令它们在空间的相对位置有一定的关系，从而保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期。如图所示，标尺光栅可分为上、下两个部分，两个部分的栅距相同，下光栅比上光栅错后1/4栅距，即1/4周期。同样地，在接光强的地方设置两个光电传感器，分别为光敏元件1和光敏元件2。两个相位差1/4周期的标尺光栅任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理当光栅正向移动时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时，与门Y1有输出，它控制加减触发装置，使可逆计数器的加法母线为高电位。同时Y1上的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。反转时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数。辨向系统流程任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理以光敏元件1输出信号为A，光敏元件2输出信号为B，A相位在B相位前1/4周期，光栅正向移动，反之则反向移动。这样根据加减法计数既能区别方向又能自动进行加法或减法计数，每次反映的都是相对于上次的栅距增量，所以这种检测属于增量式检测。光栅传感器输出信号示意图任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用4.辩向原理5.细分技术

任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。例如100线光栅的栅距W=0.01mm，若n=4，则分辨率

可从0.01mm提高到0.0025mm。因为细分后计数脉冲

提高了n倍，因此也称之为n倍频。5.细分技术——光栅测量系统电路工作原理光栅尺随机床运动机械（如工作台）移动时，产生明喑变化的莫尔条纹，可用光电元件接收。

图中a、b、c、d是四块光电池，它们产生的信号相位彼此差90°电角度，经过差动放大、整形、方向判别，最后利用这个相位差控制正反向脉冲计数，从而可测量正反向位移。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用5.细分技术——直接细分

直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。

任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用四细分透镜读数头

1-灯泡2-聚光镜3-长光栅4-指示光栅

5-四个聚光镜6-狭缝7-四个光电二极管优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。

缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用5.细分技术实训目标熟悉工业控制机中的基本连接操作和串口参数的设置方法，熟悉使用简便方法进行串口程序编写。。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用实训光栅尺精密位移检测光栅尺数显表任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用应用光栅尺和机械滑台搭建一个检测平台，用于精确定位一维轴线上的位置，机械滑台可采用如图所示的手动平移滑台，滑台驱动主要依靠中部滚动丝杆，两端使用线性导轨确定位移方向，中间手轮起动力作用，其行程一般为300~400mm。采用位移行程在250mm左右的光栅尺在手动平移滑台上搭建一个检测系统，并能够在数显表中显示。实训内容手动平移滑台(线性模组）

实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

在安装光栅尺时，首先要注意使用百分表检测安装位置的平行度，如果安装平面在滑台移动的过程中不能达到平行度要求(一般在0.2mm以下），则需要修改光栅尺定尺和安装面的相对位置。

按照光栅尺定尺的安装说明，在滑台连接基础面上打孔攻丝安装光栅尺，然后在滑台台面上架设磁力表架和百分表头，移动平移滑台使百分表头在光栅尺的基准面(安装基准），观察百分表指针的偏移情况是否超过允许误差，若超过则调整垫片厚度或者安装面。

然后利用连接件将光栅尺的动尺部分和滑台台面连接在一起。以上工作完成后，缓慢地通过手轮移动滑台，观察光栅尺是否有卡住或其他阻滞现象，如果出现则立即停止手轮。光栅尺安装的平行度保证实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

在光栅尺安装完毕后，可通过9芯插头连接数显表头，检查无误后，可上电缓慢转动手轮，观察目前光栅尺动尺所在位置以及变化情况。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

使用百分表表头检测移动量，当移动到某个位置时，使用磁力表架固定百分表，记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，然后缓慢移动滑台带动光栅尺动尺移动2~3mm，这时的滑台台面一直顶住百分表，然后记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，将两次检测的结果相减进行对比，观察所得差值的规律。并在不同滑台位置进行以上试验。

以上对比试验没有严格的精度检查意义，但是对于光栅尺本身而言，可以检测其中的光栅信号是否有问题。根据以上试验过程填写表1-1。检测移动量示意图实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用(1）使用螺栓或者螺钉将滑台固定到一个平面上，并用水平仪调整使得滑台的滑动面水平。操作步骤实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用(2）将光栅尺比对至一个适当位置，使得光栅尺可以在滑台移动轴线方向自由移动并且能够基本覆盖滑台的移动范围，以此作为光栅尺运动轴线，使用图1-11所示的方法试验光栅尺的平行度并使用垫片等加以调整，达到0.15mm的要求后，使用记号笔沿光栅尺定位孔在如图1-12所示的滑台侧面位置进行标记(中间可使用502胶水等粘连光栅尺定尺和滑台侧面的不动部分以方便调试），在滑台侧面钻孔和攻丝。同样，使用如图1-13所示的弯板作为连接滑台移动面和光栅尺动尺部分的连接件，用螺栓固定动尺和滑台，使滑台移动时，光栅尺动尺随之移动产生脉冲信号并传递给光栅尺数显表头。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤

(3）使用螺钉安装光栅尺，在连接过程中注意不要强迫安装光栅尺的动尺部分，如果连接不成功，则拆卸后重新安装。安装完毕后，轻缓移动滑台并观察光栅尺状态，如果出现光栅尺阻塞现象，则分析产生阻塞的原因并拆卸重新安装。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用的应用操作步骤(4）将光栅尺和专用数显表通过连接接头连接，并通电和移动光栅尺的动尺测试光栅尺的检测稳定性，观察缓慢运动时，光栅尺专用数显表头示值变化的稳定性，如果出现示值突变，则可反复在突变处来回移动动尺，确定是操作原因还是设备原因，如果确定是设备原因，则更换光栅尺。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤(5)将光栅尺和专用数显表头作为检测工具，对比检测百分表的检测结果，并重复试验。填写表1-1，观察和分析误差的来源和对安装的要求。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用操作步骤注意事项

(1）尽量选择加工面作为安装面，即在安装时尽可能选择加工过的基准面作为安装面。(2）安装时需要注意光栅尺开口方向避开铁屑、油污、水和粉尘，如果无法避免，则需要加装防尘盖，如图所示，可避免污物直接进入光栅尺内部。防尘盖安装示意图实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用

(3）信号线固定要可靠，在滑台全部范围内，信号线不能脱落或受力，一般在安装时将其固定于中间部位，然后使用扎带固定。(4）在安装时应接地可靠，接地电阻要小于1Ω。(5）调校光栅尺时，必须以光栅尺的长度中心取两边对称点作为调校基准点。实训光栅尺精密位移检测任务3.3位移传感器──3.3.2光栅尺的应用注意事项拓展

磁栅尺

磁栅尺是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，是一种高精度的位置检测装置，可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。

磁栅测量装置由磁性标尺、拾磁磁头和测量电路组成，按结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量。

在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些。但它有以下独特优点，常被一些机电一体化装置采用