第六章 第三节 光 栅

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1、第三节光栅在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。光栅有如下特点：1）精度高精度可达0.1μm。（在大量程测量长度或直线位移方面仅次于激光干涉传感器；在圆分度和角位移连续测量方面精度最高）2）大量程测量兼有高分辨率（感应同步器和磁栅也具有大量程测量的特点，但分辨率和精度均不如光栅）3）抗干扰能力（对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格；但不如感应同步器和磁栅的适应性强。要严格防止油雾和灰尘的影响。）4）可实现动态测量（易于实现测量及数据处理的自动化）一、

2、计量光栅的种类及工作原理利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的称为计量光栅。（一）光栅的形式及精度1．光栅的分类根据形状不同分为长光栅（测直线位移）和圆光栅（测转角位移）根据光线到达光栅后是穿透还是反射，分为透射光栅和反射光栅。2．光栅副主光栅G1（标尺光栅）指示光栅G2（装在机床的固定或活动部件上）3．光栅的测量精度（分辨率）现已可达微米级，再通过细分电路可以做到0.1μm甚至更高分辨率。（二）光栅测量的工作原理（参照图6-6和图6-11）二、光栅的基本原理及特点1．莫尔条纹光栅副——由两块光学玻璃组成。主光栅

3、G1上均匀刻上很多与运动方向垂直的线条；指示光栅G2上的线条相对G1上的线条倾斜一个角度（θ）。栅距W——相邻两根线条之间的距离。θ——指示光栅的刻线与垂直运动方向的夹角（很小）。则：光线经过光栅副后形成莫尔条纹（见下图）。透光亮点沿运动方向形成连线（亮线）不透光暗点沿运动方向形成连线（暗线）B——莫尔条纹的宽度[亮线（或暗线）沿垂直运动方向的距离]当θ很小时，（【注】θ用弧度计算）B≈W/θ2．莫尔条纹的重要特性（1）平均效应——刻线误差平均化（尽量消除栅距不均匀造成的短周期误差）其原理是利用若干个传感单元同

4、时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值。若每个单元可能带来的误差δ均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为：δ∑=±δ/（2）放大作用——需要测量W实际读取B的变化（即莫尔条纹将观察微观W变为观察宏观B）（3）对应关系——W和B“一一对应”*模拟量位移检测装置一、旋转变压器1．原理旋转变压器类似一种小型交流电机。它是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电压的变化。感应电压的变化与转子实际转角的变化是有一定规律的，利用这一规律，可以将得到的模拟量转换成数字量实现测量。2．特点旋转变压器结

5、构简单、动作灵敏、对环境无特殊要求、维护方便、抗干扰性强、工作可靠。3．使用特点与应用范围大致与电感式传感器同。日本、美国多用变压器式传感器，欧洲多用电感式传感器。我国两种都生产，但高精度场合以用电感式传感器为多，而目前中、低精度场合广泛采用编码器。所以，旋转变压器现在很少使用了。二、感应同步器1．原理感应同步器是利用电磁偶合原理，将位移或转角转变为电信号，借以进行位置检测和反馈控制的。2．特点①精度高测量精度可达1μm，重复精度0.2μm，灵敏度0.05μm。②可拼接成各种需要的长度这样就可以保证大量程的测量

6、。但拼接后精度略有降低。③对环境的适应性强制做用材料的抗温防湿能力强（防变形），对其它环境要求也不高。④使用寿命长⑤缺点是频率响应低不宜用于快速测量。3．使用目前主要用于小量程、高精度的测量。