4.2.2光柵傳感器測量位移

●項(xiàng)目——位移檢測●任務(wù)——數(shù)控機(jī)床位移檢測（工作原理）?任務(wù)導(dǎo)入光柵傳感器測量位移無論是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，還是舊機(jī)床的改造，都需要精確測量位移、長度和零件尺寸。在機(jī)電一體化設(shè)備中將光柵數(shù)顯測量系統(tǒng)作為各種長度計(jì)量儀器的重要配件，是用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)工業(yè)的方向之一。由于光柵數(shù)顯測量系統(tǒng)具有精度高，安裝及操作容易，價(jià)格低，回收投資快等優(yōu)點(diǎn)，因而得到大量使用。

那么光柵式位移傳感器的工作原理是什么？其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)如何？這就是我們本課題的任務(wù)目標(biāo)。一、光柵傳感器的工作原理

被測物體位移＝柵距×脈沖數(shù)被測物體位移莫爾條紋移動(dòng)正弦波方波脈沖通過光柵轉(zhuǎn)換通過光電元件轉(zhuǎn)移整形轉(zhuǎn)換邏輯電壓轉(zhuǎn)換二、辨向原理

單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，無論光柵做正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光電元件都產(chǎn)生相同的余弦信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測量位移，因此必須設(shè)置辨向電路。

如果能夠在物體正向移動(dòng)，將得到脈沖數(shù)增加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。

用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝，以得到兩個(gè)相位互差90°的正弦信號(hào)。如圖所示，正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)種減去反向移動(dòng)所得的脈沖數(shù)，如此可以解決辨向問題。其原理框圖如圖所示。辨向光路的設(shè)置辨向電路原理框圖

若以移過的莫爾條紋數(shù)來確定位移量，其分辨力為光柵柵距。為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可以采用細(xì)分技術(shù)。

細(xì)分技術(shù)是在光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋變化一個(gè)周期時(shí)，不是輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，從而提高了分辨率。細(xì)分越多，分辨率越高。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了，因此細(xì)分又稱為倍頻。

常用的細(xì)分方法是直接細(xì)分，細(xì)分?jǐn)?shù)為4，故又稱四倍頻細(xì)分。即可用4個(gè)依次相距B/4的光電元件，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)技術(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。1234硅光電池正向脈沖反向脈沖H1H2差動(dòng)放大差動(dòng)放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8三、光柵的光路

光柵的光路通常有透射式光路和反射式光路。透射式光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。從光源1發(fā)出的光，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變?yōu)槠叫泄猓?jīng)過主光柵和指示光柵的衍射后，由光電元件5接收到一定的莫爾條紋信號(hào)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。反射式光路適合于粗柵距的黑白反射光柵。光源6發(fā)出的光，經(jīng)聚焦透鏡5和場鏡3后成為平行光束以一定的角度射向指示光柵2，經(jīng)反射式主光柵1反射后形成莫爾條紋，經(jīng)反光鏡4和物鏡7成像在光敏元件8上。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。四、光柵傳感器的測量電路信號(hào)各種接口放大細(xì)分整形四倍頻、判向加減計(jì)數(shù)正弦(余弦)信號(hào)方波信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換五、光柵傳感器的應(yīng)用

光柵傳感器測量精度高，動(dòng)態(tài)測量范圍廣，可進(jìn)行無接觸測量，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化。在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測量等方面。1、光柵傳感器測量位移

將長度與測量范圍一致的主光柵固定在運(yùn)動(dòng)零件上，隨零件一起運(yùn)動(dòng)，短的指示光柵與光電元件固定不動(dòng)。11

當(dāng)兩塊光柵相對移動(dòng)時(shí)，可以觀測到莫爾條紋的光強(qiáng)的變化。設(shè)初始位置為接收亮帶信號(hào)，隨著光柵的移動(dòng)，光強(qiáng)的變化由亮進(jìn)入半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮，光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距，莫爾條紋也經(jīng)歷了一個(gè)周期，移動(dòng)了一個(gè)條紋間距。光強(qiáng)的變化需要通過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，輸出電壓的變化曲線近似為正弦曲線。再通過后續(xù)的放大整形電路的處理，就變成一個(gè)脈沖輸出。運(yùn)動(dòng)零件的位移值就等于脈沖數(shù)與柵距的乘積。2、微機(jī)光柵數(shù)顯表

如圖所示為微機(jī)光柵數(shù)顯表的組成框圖。在微機(jī)數(shù)顯表中，放大、整形多采用傳統(tǒng)的集成電路，辨向、細(xì)分可由微機(jī)來完成。3、光柵式萬能測長儀任務(wù)實(shí)施：數(shù)控機(jī)床的線位移檢測

數(shù)控機(jī)床的線位移檢測，根據(jù)光柵傳感器的相關(guān)知識(shí)，可選用直線光柵位移傳感器。光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1.實(shí)施光源、透鏡、指示光柵和光電器件固定在機(jī)床床身上，主光柵固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上，可往復(fù)移動(dòng)。安裝時(shí)，指示光柵和主光柵保證有一定的間隙，如圖所示。當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，兩光柵相對移動(dòng)便產(chǎn)生莫爾條紋，該條紋隨光柵以一定的速度移動(dòng)，光電器件就檢測到莫爾條紋亮度的變化，轉(zhuǎn)換為周期性變化的電信號(hào)，通過后續(xù)放大、轉(zhuǎn)換處理電路送入顯示器，直接顯示被測位移的大小。光柵位移傳感器的光源一般為鎢絲燈泡或發(fā)光二極管；光電器件為光電池或光敏三極管。16

光柵線位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。一般將主尺