光栅的工作原理及应用

计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中另一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。

（一）光栅的种类

在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称为透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。

计量光栅分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移），而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。如可将长光栅分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。

由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。

图4-12    光栅位置检测装置

（二）光栅的工作原理

光栅位置检测装置由光源，

长光栅（标尺光栅），短光栅

（指示光栅）和光电元件等组

成，如图4-12所示。

根据光栅的工作原理分为透射直线式和莫尔条纹式光栅两类。

图4-13    透射直线式光栅原理图

1．透射直线式光栅

透射直线式光栅的结构如图4-13所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接受到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接受到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接受到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1/4栅距，并通过鉴向线路进行辨别。

由于这种光栅只能透过透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。

2．莫尔条纹式光栅

图4-14  莫尔条纹式光栅

用得较普遍的是莫尔条纹式光栅，是将栅距相同的标尺光栅与指示光栅互相平行的叠放并保持一定的间隙（0.1㎜），然后将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，那么两块光栅尺上的刻线交叉，在光源的照射下，相交点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较

少的光线透过光栅而使

这个区域出现暗带。如

图4-14所示，此明暗相

间条纹称之为莫尔条纹，

其光强度分布近似于正

弦波形。如果将指示光

栅沿标尺光栅长度方向平行的移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动

方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移过一个条纹。

五、磁尺

    磁尺又称为磁栅，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。

图4-15  磁尺结构与工作原理

磁尺由磁性标尺，磁头和检

测电路组成，其结构如图4-15所

示。磁性标尺是在非导磁材料的

基体上，采用涂敷，化学沉积或

电镀上一层很薄的磁性材料，然

后用录磁的方法使敷层磁化成相

等节距周期变化的磁化信号。磁化信号可以是脉冲，也可以为正弦波或饱和磁波。磁化信号的节距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等几种。

磁头是进行磁—电转换的器件，它把反映位置的磁信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。

磁尺是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。