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光柵尺工作原理及基礎(chǔ)理論(參考版)

2025-06-21 19:59本頁(yè)面
  

【正文】 。FAGOR公司旋轉(zhuǎn)和角度編碼器,采用衍射光通過(guò)刻線(xiàn)玻璃光柵盤(pán)片,再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號(hào)。工作原理是讓光以反射方式通過(guò)網(wǎng)狀柵格,讀數(shù)系統(tǒng)由一個(gè)LED組成作為刻線(xiàn)鋼帶的光源(衍射光)。FAGOR公司反饋產(chǎn)品采用紅外發(fā)光二極管(IRED)作為光源,這種光源具有安全、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。FAGOR公司反饋產(chǎn)品采用兩種不同的材料來(lái)產(chǎn)生反饋信號(hào):(直線(xiàn)光柵尺 有效測(cè)量長(zhǎng)度3米以下使用)刻線(xiàn)玻璃盤(pán)片(旋轉(zhuǎn)編碼器)(直線(xiàn)光柵尺 有效測(cè)量長(zhǎng)度3米以上使用)測(cè)量過(guò)程:FAGOR公司反饋產(chǎn)品提供的輸出信號(hào)是由光源通過(guò)刻在直線(xiàn)尺或盤(pán)片的柵格線(xiàn)后,再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置的處理產(chǎn)生的。2 位移方向的檢測(cè)在圖49(a)中,若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng),指示光柵沿正方向移動(dòng),這時(shí),莫爾條紋相應(yīng)地沿向下的方向移動(dòng),透過(guò)觀察窗口A和B,光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度變化過(guò)程 和及輸出的相應(yīng)的電壓信號(hào)和如圖410(a)所示,在這種情況下,滯后的相位為/2;反之,若標(biāo)尺光柵固定不動(dòng),指示光柵沿負(fù)方向移動(dòng),這時(shí),莫爾條紋則相應(yīng)地沿向上的方向移動(dòng),透過(guò)觀察窗口A和B,光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)度變化過(guò)程和 及輸出的相應(yīng)的電壓信號(hào)和如圖410(b)所示,在這種情況下,超前的相位為/2。1. 位移大小的檢測(cè)由于莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)是相對(duì)應(yīng)的,故通過(guò)檢測(cè) 這4個(gè)電壓信號(hào)的變化情況,便可相應(yīng)地檢測(cè)出兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)。若采用光敏元件來(lái)檢測(cè),光敏元件把透過(guò)觀察窗口的光強(qiáng)度變化 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào),設(shè)為 。根據(jù)上述莫爾條紋的特性,假如我們?cè)谀獱枟l紋移動(dòng)的方向上開(kāi)4個(gè)觀察窗口A,B,C,D,且使這4個(gè)窗口兩兩相距1/4莫爾條紋寬度,即W/4。(4) 莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。這種放大作用是光柵的一個(gè)重要特點(diǎn)。(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度,d表示光柵的柵距,θ表示兩光柵尺線(xiàn)紋的夾角,則它們之間的幾何關(guān)系為W=d/sin當(dāng) 角很小時(shí),上式可近似寫(xiě)W=d/θ 若取d=,θ=,則由上式可得W=1mm。這些與光柵線(xiàn)紋幾乎垂直,相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。在光源的照射下,交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線(xiàn)紋重疊,因而遮光面積最小,擋光效應(yīng)最弱,光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。圖49是其工作原理圖。因此,根據(jù)和兩信號(hào)相互間的超前和滯后關(guān)系,便可確定出兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)方向。 每變化一個(gè)周期,即莫爾條紋每變化一個(gè)周期,表明兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)了一個(gè)柵距的距離;若兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)不到一個(gè)柵距,因 是余弦函數(shù),故根據(jù) 之值也可以計(jì)算出其相對(duì)移動(dòng)的距離。根據(jù)這4個(gè)電壓信號(hào),可以檢測(cè)出光柵尺的相對(duì)移動(dòng)。由上述討論可知,當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí),莫爾條紋隨之移動(dòng),從4個(gè)觀察窗口A,B,C,D可以得到4個(gè)在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向)1/4周期(即π/2)的近似于余弦函數(shù)的光強(qiáng)度變化過(guò)程,用 表示,見(jiàn)圖49(c)。兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d,莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W,其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直,且當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí),莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線(xiàn)紋共同干涉形成的,所以莫爾條紋對(duì)光柵個(gè)別線(xiàn)紋之間的柵距誤差具有平均效應(yīng),能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。這說(shuō)明,無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng),利用光的干涉現(xiàn)象,就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。莫爾條紋具有以下性質(zhì):(1) 當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí),透過(guò)莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。相反,距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域,因兩光柵尺不透明的黑色線(xiàn)紋的重疊部分變得越來(lái)越少,不透明區(qū)域面積逐漸變大,即遮光面積逐漸
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