光栅位置检测装置的组成 1—光源 2—透镜 3—标尺光栅4—指示光栅 5—光电元件
5.4光栅尺位移传感器
2. 工作原理 在测量时，长短两光栅尺 面相互平行地重叠在一起， 并保持0.01至0.1mm的间隙， 指示光栅相对标尺光栅在自 身平面内旋转一个微小的角 度θ 。当光线平行照射光栅 时，由于光的透射和衍射效 应，在与两光栅线纹夹角θ 的平分线相垂直的方向上， 会出现明暗交替、间隔相等 的粗条纹——莫尔条纹，如 图所示。
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直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。
透射式光栅检测装置
反射式光栅检测装置
光栅尺外形如图1所示，它由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组 成，如图2所示。其中光源供给光能；聚光镜将光源发出的光转换成平行光；主光 栅与指示光栅构成光栅副，光栅副是光栅尺传感器的核心，它决定了光栅尺的精度
((1) 光栅尺的工作原理与特性； (2) 直线式光栅尺与莫尔条纹
教 学 重 点 难 点
重 点
难点
光栅尺的工作原理；
光栅尺的安装与调试
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机床上光栅尺
直线光栅尺用于测量直线轴的移动位置。由于直接测量机械位置，
因此能够最准确的反应机床的实际位置。
对于机床控制而言光栅尺能够：
• • • 消除滚珠丝杠的反向间隙； 消除丝杆、导轨由于温度变化所带来的位置误差；（大型） 消除滚珠丝杠的螺距误差所带来的位置误差；
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
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当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
对于机床上使用的光栅尺，我们通常关注以下技术规格：
1、光栅尺的结构：钢带、玻璃； 2、光栅尺的信号类型：串行信号、方波信号、正弦波信号(1-Vpp)； 3、光栅尺的分辨率； 4、光栅尺的信号周期、倍频；
பைடு நூலகம்
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光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角 度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式 光栅和金属反射式光栅。 玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹 密度为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜。 条数越多，光栅的分辨率越高。 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透 光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。
5.4光栅尺位移传感器
直线透射式光栅
1、组成：由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。 长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作 台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。
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直线透射式光栅 • 1. 组成 • 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透 镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。 • 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度 相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长 度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装 在机床的移动部件上。
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• 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅 距为W，则
• 因为θ 很小，则
B
W 2 sin

2
• 由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。 B

W

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当光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出 变化正好经历一个周期，可以通过电路整形处理，变成一个脉冲输 出。脉冲数、条纹数与移动的栅距数一一对应，所以位移量为 ： x = N W 式中：N为条纹数；W为栅距。
速度测量 位置测量
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机床上光栅尺
对于机床控制而言，光栅尺常常应用于以下场合： 1、高精密机床：提高加工精度，提升产品的品质； 2、大型机床，如：大型龙门、卧加、镗铣床等； 使用光栅尺能够减小由于过长的传动链带来的传动误差，同时减 小温度变化带来的形变误差； 3、采用直驱技术的新型电机：直线电机等。
第五章 机械位移传感器
5.4 光栅尺位移传感器
5.4光栅尺位移传感器
2学时
目录 一、教学内容 1、光栅尺组成 2、光栅尺工作原理 3、光栅的辨向与信号处理 4、光栅的特点 5、光栅尺的安装 6、光栅尺的安装注意事项（自学） 7、光栅尺的维护（自学） 二、归纳总结 三、作业
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教学目标 教 学 目 标
AC220V
实训台 电源模块
光栅尺
接光栅尺端 光栅尺电缆
接PC端 智能控制与 编码器数字信号 转接线
数字伺服驱 动器
USB接口
光栅尺
5芯电源线
电脑及实训软 件
5.4光栅尺位移传感器 莫尔条纹具有如下特点：
• 由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ ，由于θ 很小（小于 10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01 ㎜，θ =0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂 的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度， 从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。 起均化误差作用。莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10 ㎜，当W=0.01㎜时， 10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此， 制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以， 莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平 均效应。 莫尔条纹的变化规律。长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动 一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化 一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多 少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。