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光栅尺位移传感器
本篇作为光栅尺位移传感器介绍的开篇文章,主要根据前人的经验,做个简单介绍,主要包含以下几点:
- 光栅尺的结构
- 光栅尺的工作原理
- 莫尔条纹
- 莫尔条纹光电信号质量
- 莫尔条纹的特点
光栅尺位移传感器(光栅尺传感器)是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中,可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲,具有检测范围大,检测精度高,响应速度快的特点。
光栅尺的结构
光栅尺的工作原理
莫尔条纹
莫尔条纹技术是所有光栅尺测量系统的基础,光栅测量的基本原理就是将直线或则旋转的莫尔条纹转换为位移量。光栅莫尔条纹的机理有很多解释,主要归纳为三种:
1、从几何光学角度的遮光阴影原理;
2、从衍射光学角度的衍射干涉原理;
3、从空间拍摄角度的频谱分析原理。
图1-2 直线光栅莫尔条纹
图1-2 直线光栅莫尔条纹波形
图1-3采集的正弦波于同频三角波对比
那么接收到的理想光能分布为T(s) 满足下面方程式:
b0 是直流分量,d是栅距,s是狭缝和标尺间的相对位移量。
莫尔条纹光电信号质量
评价莫尔条纹光电信号质量的指标主要有:正弦性、正交性、等幅性、稳定性和高对比。这里主要阐述正弦性和正交性。
正弦性
正弦性:是指系统中由接收器提取的光电信号输出的电压信号波形为正弦波。但是实际的情况并不理想,输出信号并非没有噪声的正弦波,而是在基波的基础上混合了各次谐波的复杂波形,外部谐波的引入,将影响电子学倍频的能力和系统分辨率。
外部谐波的引入,莫尔条纹接收器输出的电信号的电压与横向X轴的关系式将加入一个 Δμ(x) ,即
其中:
由于谐波振幅的变频率等于基频的整数倍,因而合成的信号 与标尺的位移值不再符合正弦规律。
正交性
图1-4 李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同,所呈现的不同波形
即存在正交误差 α 。当 α 不大时,最大的插补误差为 Δϕ+≈±α2 ;
当 Δϕ+ 和 α 以角度计算时,最大的插补误差相对值为
莫尔条纹的特点
1、对应关系
莫尔条纹的移动方向和位移与光栅尺的移动和位移有一一对应的关系,在保持狭缝和标定光栅相对夹角不变的情况下,光栅相对移动一个栅距,莫尔条纹就会在其对应的方向移动一个条纹间距,根据这一原理就可以根据莫尔条纹的变化方向和位移来确定光栅的移动方向和位移;
2、平差效应
在光栅的设计过程中,狭缝的栅线往往是数十或数百条栅线,那么光电接收器接收到的莫尔条纹就是这些栅线的平均结果,那么个别的栅线缺陷对整个测量结果的影响很小,即莫尔条纹对单个栅线的误差具有平差效果。莫尔条纹的位置标准差 σx 、单根栅线位置标准差 σ 、莫尔条纹栅线数n三者之间的关系可以表示为
3、放大作用
莫尔条纹宽度对对光栅栅距具有放大作用,莫尔条纹的间距为D,光栅间距为b,两光栅夹角θ,它们之间的关系为
4、存在谐波
由于光源、栅线间距、栅线质量等原因,使得信号接收器输出的电压并非理想正弦波,它不仅有基波,还有基波频率整数倍的谐波。
莫尔条纹的其他应用
随着光学技术以及电子产品的发展,莫尔条纹技术的到广泛的应用,不仅有测量、机床、国防、航空航海,还有教学、汽车、机器人等多个领域。主要的测量有位移、运动比较、形貌测量以及莫尔偏析法等等;
光栅测量的优点:
①分辨率高,精度高,
②测量范围大,
③可实现动态测量、自动化测量和数字显示,
④抗干扰能力强,测量速度高。
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