长光栅测量直线位移的方法和技巧

一、任务目标

本任务中主要学习长光栅传感器的结构，掌握莫尔条纹的特点，掌握长光栅传感器的工作原理，掌握长光栅传感器测量直线位移的方法。

二、任务分析

练习

（1）利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量，测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为________；而测量角位移的光栅为圆形，称之为________。数控机床上常用长光栅测量工作台位移，长光栅由________、________、________和________等组成。

（2）光栅可把肉眼看不见的位移变成清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移，这是莫尔条纹的________特性。

（3）在实际应用中，通常位移具有两个方向，即选定一个位移方向作为正方向后，相反方向的位移为负。只用一套光电元件测量莫尔条纹信号，光电元件只能辨别莫尔条纹的明暗变化，而无法辨别莫尔条纹的移动方向，所以不能正确地测量位移，通常要加入________电路。

（4）用标尺光栅测量机床位移时，若光栅栅距为0.01 mm，莫尔条纹移动数为1 000个，若不采用细分技术则机床位移量为________；若采用四分频细分技术则机床位移量为________。

思考

数控系统中的检测装置按照安装位置及耦合方式可分为间接测量和直接测量，标尺光栅直接测量工作台移动的直线位移。查阅资料，总结标尺光栅优缺点，说一说标尺光栅主要应用于哪种类型的数控机床？

三、任务实施

1.认识光栅传感器及其实验模块

实验所使用的长光栅传感器已经安装在JCY-5 光栅线位移传感器检测装置上，如图5-74所示。该传感器是信和KA300 光栅尺，尺罩长度为170 mm。该系列光栅的栅距为0.02 mm（50 线／mm），分辨率有0.5 μm、0.1 μm、5 μm 三种，精度有±3 μm、±5 μm、±10 μm 三种，量程为70～3 000 mm，最大移动速度为60 m／min、120 m／min。工作电压为±5 V、80 mA。采用九芯的插座，可以是EIA-442-A 信号输出或TTL 信号输出。与其配套使用的光栅传感器实验模块如图5-75所示。

图5-74　JCY-5 光栅线位移传感器检测装置

图5-75　光栅传感器实验模块

除了JCY-5 光栅线位移传感器检测装置及其实验模块外，本任务的实施还要用到直流稳压电源、数据采集卡、USB 电缆、计算机、导线及排线。

2.光纤传感器测量位移工作原理

光栅测量位移的工作原理基于莫尔条纹现象，设莫尔条纹栅距为w，夹角为θ，则莫尔条纹宽度B＝。当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也作同步移动。由于B≫w，栅距被放大许多倍，光电元件测出莫尔条纹的移动，通过脉冲计数得到被测位移＝栅距×脉冲数。

3.任务实施步骤

1）长光栅传感器测量直线位移电路接线。打开实验台电源，将直流稳压电源15 V、5 V 接到JCY-5 光栅线位移传感器检测装置和光栅传感器实验模块。

将采集卡的模拟量和开关量电缆接到采集卡接口（采集卡的地线要接到直流稳压电源地），采集卡接口DO1～DO4 分别接到JCY-5 光栅线位移传感器检测装置“步进电机驱动模块” 的A、B、C、D。光栅位移传感器输出通过一根排线接到光栅传感器实验模块的“光栅传感器输入-线位移”，如图5-76所示。

图5-76　长光栅传感器测量直线位移电路实物接线图

2）长光栅传感器测量直线位移。通过USB 电缆将USB 数据采集卡接入计算机，并打开虚拟示波器软件，在弹出的窗口中单击“电机控制”，弹出“电机控制” 对话框，在“设置单位步长” 对话框中输入表5-15所示的单位步长时间，控制方式选择“步进电动机”，单击“启动” 按钮，步进电动机开始旋转，带动丝杠一起旋转，螺母随着丝杠的旋转开始直线运动，产生位移，光栅尺检测后，在光栅传感器实验模块上显示其位移量。启动后半分钟，单击“停止”，并记录半分钟内丝杠螺母的直线位移量。(www.xing528.com)

按照表5-15所示改变“设置单位步长” 的时间控制步进电动机转动的速度，并记录半分钟内丝杠螺母的直线位移量。

3）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

表5-15　不同单位步长对应的直线位移

4.数据数理

根据表5-15数据绘制单位步长时间与直线位移关系曲线（T-X 曲线），如图5-77所示。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-16。

图5-77　长光栅传感器T-X 曲线

表5-16　长光栅直线位移测量评分表

四、任务拓展

当长光栅的读数头移动到光栅尺体的端头时，如果步进电动机还在旋转，就会带动读数头继续前进，撞到光栅尺体的端盖，造成端盖损坏。所以，一般都会在光栅尺的两端安装限位开关，让读数头停下来或反向运动，以确保读数头不会撞到端盖。在JCY-5 光栅线位移传感器检测装置中也有这样的限位开关，把限位开关接入电路，看看是否能起到保护作用。

1.仪器设备及器材

直流稳压电源、JCY-5 光栅线位移传感器检测装置、光栅传感器实验模块、数据采集卡、USB 电缆、计算机、导线、排线。

2.实验步骤

1）安装限位开关。JCY-5 光栅线位移传感器检测装置上已安装好两个限位开关，分别位于光栅尺左右两端，用的是光电隔离器，如图5-78所示。

图5-78　限位开关安装位置

2）重复任务四的第1）步。重复任务四的第1）步，将限位传感器输出DO 口接采集卡接口开关量输入端DI1。

3）长光栅传感器测量直线位移（带限位开关）。通过USB 电缆将USB 数据采集卡接入计算机，并打开虚拟示波器软件，在弹出的窗口中单击“电机控制”，弹出“电机控制” 对话框，在“设置单位步长” 对话框中输入表5-15所示的单位步长时间。选择控制方式有“步进电动机” 和“限位开关” 两种，根据实验选择“限位开关” 控制方式，单击“启动”按钮，步进电动机开始旋转，带动丝杠一起旋转，螺母随着丝杠的旋转开始直线运动，光栅尺的读数头在两个限位开关之间来回运动。

3.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-17。

表5-17　长光栅直线位移测量（带限位开关）评分表