英國RENISHAW雷尼紹光柵尺

工作原理

莫爾條紋

以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (圖2所示)。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ 。

莫爾條紋具有以下特征：

(1)莫爾條紋的變化規(guī)律

兩片光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。

(2)放大作用

在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關(guān)系。式中，θ的單位為rad，W的單位為mm。由于傾角很小，sinθ很小，則

W=ω /θ

若ω =0．01mm，θ=0.01rad，則上式可得W=1，即光柵放大了100倍。

(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。

檢測與數(shù)據(jù)處理

電子細(xì)分與判向法

光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng)，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng)。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量。

在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度  。

英國Renishaw雷尼紹光柵尺工作原理

英國Renishaw雷尼紹光柵尺是一種高精度的測量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。其工作原理基于非接觸光學(xué)系統(tǒng)，通過光柵和讀數(shù)頭之間的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)精確的位置測量。

光柵尺的基本結(jié)構(gòu)

光柵尺主要由兩部分組成：光柵尺（標(biāo)尺）和讀數(shù)頭。光柵尺上刻有高精度的光柵線，讀數(shù)頭則包含光源、透鏡和光電探測器等組件。

工作原理

光源發(fā)射：讀數(shù)頭中的光源（通常是LED）發(fā)出光線，照射到光柵尺上的光柵線。

光柵干涉：光線通過光柵線后，形成干涉條紋。這些條紋的間距與光柵線的間距成比例。

光電轉(zhuǎn)換：干涉條紋被讀數(shù)頭中的光電探測器接收，并轉(zhuǎn)換為電信號。

信號處理：電信號經(jīng)過放大、整形和細(xì)分等處理，最終輸出為位置信息。這一過程通常包括脈沖整形變頻電路和數(shù)控部分的四倍頻電路等2。

位置反饋：通過計(jì)算電信號的變化，可以精確地確定光柵尺和讀數(shù)頭之間的相對位置。

特點(diǎn)與優(yōu)勢

高精度：雷尼紹光柵尺具有很高的測量精度和分辨率，可以達(dá)到納米級別。

非接觸測量：由于采用非接觸光學(xué)系統(tǒng)，光柵尺不受機(jī)械磨損的影響，使用壽命長。

抗污能力強(qiáng)：光柵尺對灰塵、輕度油漬和劃痕等污染有很強(qiáng)的抗性，不會(huì)影響信號的完整性1。

安裝簡便：讀數(shù)頭與標(biāo)尺之間的距離和公差寬松，安裝極其簡便快捷。內(nèi)置的LED安裝狀態(tài)指示燈可以簡化安裝過程4。

應(yīng)用領(lǐng)域

雷尼紹光柵尺廣泛應(yīng)用于各種高精度測量和控制領(lǐng)域，包括但不限于：

半導(dǎo)體制造

電子裝配

專用機(jī)器

激光切割

光學(xué)檢測

印刷線路板測頭檢測

印刷

掃描

科學(xué)儀器

結(jié)論

英國Renishaw雷尼紹光柵尺通過非接觸光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的位置測量，具有抗污能力強(qiáng)、安裝簡便等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。其工作原理涉及光源發(fā)射、光柵干涉、光電轉(zhuǎn)換和信號處理等步驟，確保了測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

英國RENISHAW雷尼紹光柵尺