4.2.2光栅传感器测量位移

●项目——位移检测●任务——数控机床位移检测（工作原理）►任务导入光栅传感器测量位移无论是先进的数控机床，还是旧机床的改造，都需要精确测量位移、长度和零件尺寸。在机电一体化设备中将光栅数显测量系统作为各种长度计量仪器的重要配件，是用微电子技术改造传统工业的方向之一。由于光栅数显测量系统具有精度高，安装及操作容易，价格低，回收投资快等优点，因而得到大量使用。

那么光栅式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标。一、光栅传感器的工作原理

被测物体位移＝栅距×脉冲数被测物体位移莫尔条纹移动正弦波方波脉冲通过光栅转换通过光电元件转移整形转换逻辑电压转换二、辨向原理

单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，无论光栅做正向移动还是反向移动，光电元件都产生相同的余弦信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移，因此必须设置辨向电路。

如果能够在物体正向移动，将得到脉冲数增加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。

用两个光电元件相距B/4安装，以得到两个相位互差90°的正弦信号。如图所示，正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数种减去反向移动所得的脉冲数，如此可以解决辨向问题。其原理框图如图所示。辨向光路的设置辨向电路原理框图

若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可以采用细分技术。

细分技术是在光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期时，不是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，从而提高了分辨率。细分越多，分辨率越高。由于细分后计数脉冲频率提高了，因此细分又称为倍频。

常用的细分方法是直接细分，细分数为4，故又称四倍频细分。即可用4个依次相距B/4的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个技术脉冲，实现了四细分。1234硅光电池正向脉冲反向脉冲H1H2差动放大差动放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8三、光栅的光路

光栅的光路通常有透射式光路和反射式光路。透射式光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。从光源1发出的光，经准直透镜2变为平行光，经过主光栅和指示光栅的衍射后，由光电元件5接收到一定的莫尔条纹信号。

特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。反射式光路适合于粗栅距的黑白反射光栅。光源6发出的光，经聚焦透镜5和场镜3后成为平行光束以一定的角度射向指示光栅2，经反射式主光栅1反射后形成莫尔条纹，经反光镜4和物镜7成像在光敏元件8上。

特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。四、光栅传感器的测量电路信号各种接口放大细分整形四倍频、判向加减计数正弦(余弦)信号方波信号信号转换五、光栅传感器的应用

光栅传感器测量精度高，动态测量范围广，可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。1、光栅传感器测量位移

将长度与测量范围一致的主光栅固定在运动零件上，随零件一起运动，短的指示光栅与光电元件固定不动。11

当两块光栅相对移动时，可以观测到莫尔条纹的光强的变化。设初始位置为接收亮带信号，随着光栅的移动，光强的变化由亮进入半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮，光栅移动了一个栅距，莫尔条纹也经历了一个周期，移动了一个条纹间距。光强的变化需要通过光电转换电路转换为输出电压的变化，输出电压的变化曲线近似为正弦曲线。再通过后续的放大整形电路的处理，就变成一个脉冲输出。运动零件的位移值就等于脉冲数与栅距的乘积。2、微机光栅数显表

如图所示为微机光栅数显表的组成框图。在微机数显表中，放大、整形多采用传统的集成电路，辨向、细分可由微机来完成。3、光栅式万能测长仪任务实施：数控机床的线位移检测

数控机床的线位移检测，根据光栅传感器的相关知识，可选用直线光栅位移传感器。光栅位移传感器结构示意图1.实施光源、透镜、指示光栅和光电器件固定在机床床身上，主光栅固定在机床的运动部件上，可往复移动。安装时，指示光栅和主光栅保证有一定的间隙，如图所示。当机床工作时，两光栅相对移动便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以一定的速度移动，光电器件就检测到莫尔条纹亮度的变化，转换为周期性变化的电信号，通过后续放大、转换处理电路送入显示器，直接显示被测位移的大小。光栅位移传感器的光源一般为钨丝灯泡或发光二极管；光电器件为光电池或光敏三极管。16

光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将主尺