光栅尺和磁栅的应用与区别

1．光栅尺

光栅尺是一种直线位移测量装置，它是在透明玻璃或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象制成的光电式位移测量装置。

1）光栅尺分类

按制造工艺不同，光栅尺分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每100条/mm以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般在4～50条/mm范围内。透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可到1 μm以上。

按结构用途不同，光栅尺又可分为直线光栅和圆光栅。直线光栅用于测量直线位移，圆光栅用于测量转角位移。

2）光栅尺组成结构

直线透射光栅尺的结构原理如图7-24所示，直线透射光栅尺由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光敏元件等组成。一般移动的光栅为长光栅，固定在机床移动部件上，要求与行程等长；短光栅装在机床固定部件上，两块光栅刻有相等的均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25条/mm、50条/mm、100条/mm、250条/mm等，线纹之间距离相等，该间距称为栅距。

图7-24　直线透射光栅尺的结构原理

在测量时，两块光栅平行并保持0.05 mm或0.1 mm的间隙，短光栅相对于长光栅在自身面内旋转一个微小的角度。光栅检测装置由光源、光栅尺和光电转换元件组成，从光源发出的光经聚光镜变为平行光线照射在长光栅和短光栅上，当两光栅相对移动时，产生光的干涉效应，使两光栅尺形成明暗相间的放大条纹并照射在光电池上，光电池感受信号，经变换处理为脉冲信号，通过脉冲计数就可以反映出移动部件的位移。

3）光栅检测原理

当两光栅相对移动时，形成的明暗相间条纹的方向几乎与刻线方向垂直。两光栅尺间的夹角越小，明暗条纹就越粗，光栅相对移动一个栅距时，明暗条纹也正好移过一个节距。这种明暗相间的条纹称为“莫尔条纹”。严格来说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫多条纹的宽度B，如图7-25所示。

图7-25　莫尔条纹形成原理

莫尔条纹具有以下特征：

（1）变化规律近似呈正余弦规律变化。

（2）具有放大作用。

莫尔条纹的宽度B随条纹的夹角θ的变化而变化，其关系为

式中，ω——光栅栅距；

θ——两光栅刻线夹角（rad）。

上式表明，可以通过改变θ的大小来调整莫尔条纹的宽度，θ越小，B越大，这相当于将栅距放大了1/θ倍。例如，对于刻线密度为100线/mm的光栅，其ω=0.01 mm，如果通过调整使θ=0.01 rad（0.057°），则B=0.01/0.001=10（mm），其放大倍数为 1 000倍，而且无须复杂的光学系统，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。

（3）平均效应。

莫尔条纹是短光栅覆盖了许多条纹后形成的，如刻线密度为250线/mm的光栅，10 mm长的一条莫尔条纹是由2 500条刻线组成的，因此对光栅条纹间距的误差有平均作用，即能消除周期误差的影响。

（4）莫尔条纹的移动与栅距的移动成正比例。

当光栅尺移动一个栅距时，莫尔条纹也刚好移动一个节距。若光栅尺朝相反的方向移动，则莫尔条纹也朝相反的方向移动。根据莫尔条纹移动的数目，可以计算出光栅尺移动的距离，并根据莫尔条纹移动的方向来判断移动部件的运动方向。

4）光栅检测的特点

（1）具有很高的检测精度，直线光栅精度可达3 μm，分辨率可达0.1 μm。圆光栅精度可达0.15″～0.1″。

（2）响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测和数据处理的自动化。

（3）对使用环境要求很高，怕油污、灰尘及振动。

（4）由于标尺光栅一般比较长，故安装维护困难，成本较高。

光栅检测系统的分辨率与栅距ω和细分倍数n有关，分辨率α=ω/n。

为提高光栅分辨率，可以将栅距的密度增加，或增加细分倍数，采用的细分倍数有机械细分、电子细分、光电细分，其中用得最多的是电子细分。

2．磁栅

磁栅（又称磁尺）上录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，是一种高精度的位置检测装置，可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些。磁栅具有以下独特的优点：

（1）制作简单，安装、调整方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完后，若发现不符合要求，可抹去重录；也可将其安装在机床上再录磁，避免安装误差。

（2）磁尺的长度可任意选择，也可录制任意节距的磁信号。

（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求低。

1）磁栅测量装置的组成结构

磁栅测量装置按其结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量。其中，直线磁栅又分为带状磁栅和杆状磁栅。常用磁栅的外形结构如图7-26和图7-27所示。

图7-26　带状磁栅

1—框架；2—磁头；3—带状磁尺

图7-27　圆磁栅

1—磁盘；2—磁头(www.xing528.com)

带状磁栅固定在用低碳钢做的屏蔽壳体内，并以一定的预紧力绷紧在框架或支架中，框架固定在机床上，使带状磁尺同机床一起胀缩，从而减少温度对测量精度的影响。杆状磁栅套在磁头中间，与磁头同轴，两者之间保持很小的间隙，由于磁尺包围在磁头中间，对周围电磁起到了屏蔽作用，所以抗干扰能力强，输出信号大。圆形磁栅的磁尺做成圆形磁盘或磁鼓开头，磁头和带状磁尺的磁头相同，圆形磁尺主要用来检测角位移。

（1）磁性标尺。

磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10～30 μm厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，作为测量基准，信号可为正弦波和方波等，节距通常为0.05 mm、0.1 mm和0.2 mm；最后在磁尺表面还要涂上一层1～2 μm厚的保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而形成的磁膜磨损。

（2）拾磁磁头。

拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路。拾磁磁头可分为动态磁头和静态磁头。

动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以当磁头和磁尺有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头只能用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用来测量位移。

用于位置检测用的磁栅，要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时，也能测量位移或位置，因此需要采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，它在普通动态磁头的基础上增加了一个励磁线圈并采用可饱和的铁芯，利用可饱和铁芯的磁性调制原理来实现位置检测。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。

2）磁栅工作原理

单磁头结构如图7-28所示，磁头有两组绕组，一组为拾磁绕组，另一组为励磁绕组。

图7-28　单磁头结构

在励磁绕组中加一高频的交变励磁信号，则在铁芯上产生周期性正反向饱和磁化，使磁芯的可饱和部分在每周期内两次被励磁电流产生的磁场饱和。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通从磁头气隙处进入铁芯，并被高频励磁电流产生的磁通调制，从而在拾磁绕组中产生调制谐波感应电压输出，即

式中，k——耦合系数；

Φm——磁通量的峰值；

λ——磁尺上磁化信号的节距；

x——磁头在磁尺上的位移量；

ω——励磁电流的角频率。

由此可以看出，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出u的过0次数，就可以知道位移x的大小。

双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，如图7-29所示，两磁头按配置，m为任意整数，当励磁电压相同时，其输出电压分别为

图7-29　双磁头的配置

通过对u1、u2进行检测处理，即可判定位移方向，并测出位移量的大小。

由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高，因此，可将多个磁头以一定方式串联起来形成多间隙磁头，如图7-30所示。这种磁头放置时铁芯平面与磁栅长度方向垂直，每个磁头以相同间距λ/4放置。若将相邻两个磁头的输出绕组反相串接，则能把各磁头输出电压叠加。多磁头的特点是使输出电压幅值增大，同时使各铁芯间误差平均化，因此精度较单磁头高。

图7-30　多间隙磁头

3）磁栅检测电路

根据检测方法不同，可分为鉴相测量及鉴幅测量，磁栅检测是模拟测量，故必须与检测电路配合才能进行检测。检测电路包括励磁电路，以及读取信号的滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化、计数等电路。根据检测方法不同，检测电路分为鉴幅式检测电路和鉴相式检测电路两种形式，其中鉴相式检测电路应用较多。

（1）鉴幅式磁栅检测电路工作原理。

如前所述，当在两个励磁绕组上加相同励磁电压时，可得到两组幅度调制信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为π/2的两组信号，即

鉴幅式磁栅检测电路框图及信号波形如图7-31所示。磁头H1、H2相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的线路比较简单，但分辨率受到录磁节距λ的限制，若要提高分辨率，则必须采用较复杂的倍频电路，所以不常采用。

图7-31　鉴幅式磁栅检测电路框图及信号波形

（2）鉴相式磁栅检测电路工作原理。

鉴相式磁栅检测电路框图如图7-32所示。由振荡器产生的2 MHz脉冲信号，经400分频器分频后得到5 kHz的励磁信号，再经低通滤波器滤波后变为两路正弦波信号，一路经功率放大器送到第一组磁头励磁线圈，另一路经90°移相后送入第二组磁头励磁线圈。两磁头获得的输出信号u1、u2分别为

图7-32　鉴相式磁栅检测电路框图

在求和电路中相加，即得到相位按位移量变化的合成信号，即

该信号经选频放大、整形微分后再与基准相位鉴相以及细分，可得到分辨率为预先设定单位的位移测量信号，并送至可逆计数器计数。

采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距λ，并可以通过提高内插补脉冲频率使系统的分辨率达到1 μm。