计量光栅原理基本组成分类和多相信号获得方法

计量光栅原理基本组成分类和多相信号获得方法

　　计量光栅在数显光电检测仪器与数控机电设各中得到广泛应用。计量光栅实际上就是刻线间隔很小（比如每毫米刻20、50或100线对）的标尺（长光栅）或度盘（圆光栅）。它既是计量标准器，同时又能自动读数。而且还可以利用其光电输出信号实现控制的目的，因此它的用途越来越广泛。

　　计量光栅大多数是利用两块光栅叠合产生的莫尔条纹原理来工作的。两块光栅中一块作为计量标准器，称为主光栅。另一块随工作台运动，并传出运动信息，称为指示光栅。两块光栅叠合时，使两者栅线有很小的夹角，就可以得到横向莫尔条纹（为防止擦伤，两块光栅之间应有很小的运动空隙）。如图1所示，纫、鲂为两块光栅的栅距（通常取等值，即ω1=ω2＝ω），θ为两块光栅栅线间夹角。从图中可以看出，两块光栅叠合的结果产生了与栅线方向垂直的由透光与不透光部分组成的横向莫尔条纹。当指示光栅沿光方向移动时，莫尔条纹便沿y方向移动，而且它们之间的移动是——对应的，即指示光栅移动一个栅距ω，莫尔条纹移动一个条纹宽度B。因此可以采用光电器件探测莫尔条纹的移动，从而测出指示光栅的移动量。这就是莫尔条纹的几何光学解释。通常条纹宽度可以调到10 mm左右（在栅距ω确定后，B仅与e角有关），这等于将栅距放大了数百倍乃至上千倍。这无论对于结构安排（布置光电探测器）或是测微细分，都十分有利。
　　当光栅栅距小于0.01 mm（即每毫米刻线数大于100线对），比如ω＝0.005 mm（即200线对／mm）时，若再用几何光学的遮光透光效应来解释莫尔条纹，就得不到令人满意的结果。在这种情况下，必须考虑光栅的衍射效应（相当于多缝衍射）。


计量光栅读数头的基本组成和分类 

　　①光栅读数头的基本组成部分。光栅读数头由光源1、照明系统2，主光栅3、指示光栅4、光学系统5和光电接收组件6等部分组成，如图1所示。
　　光源发出的光束经过照明系统（聚光镜）后成为均匀的平行光照明主光栅。由于主光栅和指示光栅之间的相对运动（测量运动）而输出交变的莫尔条纹信号，此信号经过光学系统（物镜）会聚到光电接收器，并转换成反映莫尔条纹特性的电信号供光电计数及细分用。
　　1一光源 2一照明系统 3一主光栅 4一指示光栅 5一光学系统 6一光电接收组件

　　②光栅读数头的分类。光栅读数头的型式很多，按结构布局特点可以分为直读式、分光式、镜像式和调相式等四类。按光栅的工作条件可以分为透射式和反射式两类。若按光栅的形式可以分为相位型光栅读数头和振幅型（黑白）光栅读数头等。图2为光栅读数头的分类框图。

计量光栅读数头多相信号的获得方法 

　　用光电器件探测莫尔条纹的移动，便可测出指示光栅的移动量。这里有两个问题必须解决：一是如何辨别指示光栅的移动方向，二是如何对莫尔条纹进行细分。通常的办法是采用在一个莫尔条纹宽度内均布4个光电探头，从而取出四相信号，然后再用电子信号处理的方法实现辨向和细分。因为取得多相信号的方法涉及光栅读数头的结构布局，这里综合地简述一下获得多相信号的两种方法。
　　①四分透镜法：从原理上说，只要能使莫尔条纹成多个像的方法都可以获得多相信号。用四分透镜（实质上就是4个不同轴的透镜）可以得到莫尔条纹的4个像，分别用4个光电组件去接收，就输出4个信号。图1就是采用四分透镜获得四个光栅信号的方案。四分透镜就是将1块透镜分隔为4份，如图1（b）所示，然后重新排列而成。当然也可以利用棱镜和反光镜获得分像效果。
　　1一聚光镜 2一指示光栅 3一四分透镜 4一狭缝 5一光电二极管

　　②列阵光电组件法：用多个光电组件排列在一起，去接收同一个莫尔条纹信号，就可以得到多个不同相位的信号。图2是采用四极硅光电池的情况。若要取得沟个信号，莫尔条纹宽度为B，则单个光电组件在条纹宽度方向上的尺寸为b=B/n。