光栅结构和工作原理简介

1.光栅的种类与精度

在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅；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。

（1）直线光栅（即长光栅）

1）玻璃透射光栅。它是在玻璃表面感光材料的涂层上或者在金属镀膜上制成的光栅线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺。光栅的几何尺寸主要根据光栅线纹的长度和安装情况具体确定，如图6-14所示。

图6-14 透射光栅

玻璃透射光栅的特点是：①光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；②每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。

2）金属反射光栅。这是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作光栅或用钻石刀直接刻划制作光栅条纹。金属反射光栅的特点是：①标尺光栅的线胀系数很容易做到与机床材料一致；②标尺光栅的安装和调整比较方便；③安装面积较小；④易于接长或制成整根的钢带长光栅；⑤不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50（见图6-15）。

（2）圆光栅 它是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周内线纹数也不相同。圆光栅一般有三种形式：

1）60进制。如10800，21600，32400，64800等。

2）10进制。如1000，2500，5000等。

3）二进制。如512，1024，2048等。

圆光栅的结构如图6-16所示。

（3）计量光栅的精度 光栅检测系的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。由于使用了莫尔条纹技术，所以相邻误差得以适当地被修正，但对累积误差无多大改善。

由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。表6-5列出了光栅的精度。

图6-15 反射光栅

图6-16 圆光栅(www.xing528.com)

表6-5 光栅的精度

①指两点间最大均方根误差。

图6-17 光栅位置检测装置

2.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（见图6-17）。

根据光栅的工作原理分透射直线式光栅和莫尔条纹式光栅两类。

（1）透射直线式光栅 如图6-18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，称之为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称之为指示光栅。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，光电元件接收到的光通量最少。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最强。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接收到的光通量忽强忽弱，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判别。由于这种光栅只能透过单个透明间隔，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 莫尔条纹的形成与光栅常数——栅距及光的波长有关，在栅距大小与波长十分接近时，莫尔条纹可由衍射光的干涉现象来解释。而在栅距较波长大得多的场合（粗光栅），衍射现象已不十分明显，莫尔条纹的产生则由于栅线遮光作用，故可用几何光学来说明。

在现场常见的是后一种光栅，现以此为例子加以介绍。

图6-18 透射直线式光栅原理图

a）结构图 b）输出波形

1—灯泡 2—透镜 3—指示光栅 4—标尺光栅 5—光电元件 6—读数头

图6-19所示是用栅格斜置的长光栅，图中作为标尺光栅的栅线和X轴垂直，而作为指示光栅的栅线与标尺光栅之间有一个小的倾斜角θ，两者间形成透光的（图中a）和不透光的（图中b）菱形条纹。当两光栅沿X轴作相对移动时，条纹将沿栅线方向移动（横向莫尔条纹）。每变化一个栅距，透光部分将由a处移到b处，a处则完全遮断，于是a、b两处轮流处于透光和遮光状态。若在a处放置一个光敏元件，则其上的光通量将随栅格的相对移动而呈三角形变化。不难证明，在倾斜角很小时，莫尔条纹宽度B与栅距W之间有如下关系：

即条纹宽度B是节距W的1/θ倍。这种放大作用，是利用光栅测量微小位移的基础。若在a处放置一个宽度等于B的光电元件，当标尺光栅沿X轴方向移动半个栅距时，光电元件的受光面积从最大变化到最小（完全遮断），此后又逐步增大。故在标尺光栅以等速沿X轴运动时，a处的光电元件的受光面积将作周期性变化，其效果类似于一个具有菱形透光孔的长带沿θ角轴（与Y轴夹角为θ）方向移动所产生的效果一样。