下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
2.2.1 光栅式位移传感器
由于光栅式位移传感器测量精度高(分辨率为0.1μm)、动态测量范围广(0～1000mm)，可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅式位移传感器都起着重要的作用。
光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件，如图2.20(a)所示。
图2.20 光栅结构及莫尔条纹
1．光栅结构及莫尔条纹
光栅是在两块光学玻璃上或具有强反射能力的金属表面上，刻上等宽等间距的均匀密集的平行刻痕细线。每条刻痕处是不透光的，而两条刻痕之间的狭缝是透光的，光栅的刻痕密度一般为每毫米10、25、50、100条线。如果将这两块玻璃板或金属板重叠放置，并使它们的刻线间有一个微小夹角 θ ，此时，由于光的干涉效应，在与光栅栅线近似垂直方向上将产生明暗相间的条纹。这些条纹称为莫尔条纹，莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图2.20(b)中的 d - d 线区所示。 f - f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。根据莫尔条纹效应设计了光栅传感器。
莫尔条纹有两个重要的特性：
(1) 当指示光栅不动，主光栅向左右移动时，莫尔条纹将随着栅线的方向上下移动，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向。
(2) 莫尔条纹具有位移的放大作用。当主光栅沿着与刻线垂直方向移动一个栅距 W 时，莫尔条纹移动一个条纹间距 B 。当两个等距光栅的栅间夹角 θ 较小时，主光栅移动一个栅距 W ，莫尔条纹移动 KW 距离， K 为莫尔条纹的放大系数，可由下式确定：
K = B / W ≈1/ θ
B ≈ W / θ
由上式可知，当 θ 角较小时，例如 θ =30′，则 K =115，表明莫尔条纹的放大倍数是相当大的。这样就可以把肉眼无法分辨的栅距位移变成清晰可见的莫尔条纹的移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。
2．长光栅位移传感器
光栅式位移传感器有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。
长光栅位移传感器如图2.21所示。它是一种垂直透射式光路系统，主要由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。在作直线位移测量时，主光栅是一个长条形光栅，光栅长度由所需量程决定。指示光栅较短，通常根据测量光学系统的需要而定，一般与光学系统物镜直径相同。光栅条纹密度有25条/mm,50条/mm、100条/mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。
图2.21 长光栅位移传感器光路系统
由光源发出的光线经准凸透镜变成平行光，入射到主光栅上，经过主光栅和指示光栅，再透射到光敏元件上，一般指示光栅固定不动，而光源、主光栅和光敏元件固定在被测位移体上，当主光栅产生位移时，光栅上的莫尔条纹便随之产生位移。莫尔条纹的移动信号被光敏元件接收。每当亮带通过光敏元件时，有一个相应的电信号输出。
特别提示
若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知道主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。利用上述原理，通过多个光电器件对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距离还小的位移量及被测对象的移动方向。
长光栅位移传感器的测长精度可达0.5～3μm(1000mm范围内)，分辨力可达0.1μm。
3．圆光栅传感器
圆光栅传感器可用于测量旋转机械轴的角位移。
如果用两块切向相同，栅距角相同，刻线数目相同，切线圆半径分别为 r 1 、 r 2 ，两块的切线光栅线面相对同心重合时，形成环形莫尔条纹。环形莫尔条纹的突出优点是具有全光栅的平均效应，因而用于高精度测量和圆光栅分度误差的检验。所产生的环形莫尔条纹如图2.22(a)所示。
图2.22 圆光栅的莫尔条纹
如果将两块刻线数目相同的径向圆光栅偏心放置，偏心量为 e ，这时形成不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹如图2.22(b)所示。
动光栅固定在转轴上，因此，可将机械轴旋转的角度变换成莫尔条纹信号。通过光电转换元件，将莫尔条纹的变化转换成近似于正弦波形的电信号。测量角位移精度可达0.15″，分辨力可达0.1″甚至更高。
2.2.2 磁栅式位移传感器
磁栅是一种有磁化信息的标尺，它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm 厚的Ni-Co-P 磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长 λ 录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。
录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上录制了相等节距的磁化信息而形成磁栅。磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS…的状态排列起来，如图2.23所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在 N-N 或 S-S相接处为最大，测量时利用重放磁头将记录信号还原。
图2.23 磁栅的基本结构
磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。也可根据用途分为长磁栅和圆磁栅位移传感器。磁栅主要用于大型机床和精密机床，作为位置或位移量的检测元件。
磁栅式位移传感器的结构如图2.24所示，它由磁尺(磁栅)、磁头和检测电路组成。磁尺是检测位移的基准尺，磁头是用来读取信号的。按照显示读数的输出信号方式的不同，磁头可分为动态磁头和静态磁头。动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，所以动态磁头又称为速度响应式磁头。静态磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，另一个是输出绕组，这时即使磁头与磁尺之间处于相对静止状态，也会因为有交变激励信号使磁头仍有噪声信号输出。
图2.24 磁栅式位移传感器的结构
图2.24中，当静态磁头和磁尺之间有相对运动时，输出绕组产生一个新的感应电压信号输出，它作为包络，调制在原感应电压信号频率上。这提高了测量精度。检测电路主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁心使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压，该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。将其送入鉴相测量电路，就可以获取磁头在磁尺上移动距离 x 的相应值。
磁信号与磁头输出信号的波形如图2.25所示。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。磁栅式位移传感器允许最高工作速度为12m/min，系统的精度可达0.01mm/m，最小指示值为0.001mm。
图2.25 磁信号与磁头输出信号的波形
特别提示
磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大(1～20m)和磁信号可以重新录制等优点；其缺点主要是需要屏蔽和防尘。