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光栅栏式位置传感器

 摘要:在现在化的工业生产,特别是自动生产中,为了监视控制生产中的各参数,在设定的状态下使设备工作,需要各种各样的传感器。光栅栏式位置传感器具有高精度、高可靠性、耐干扰性等优点,在几何测量领域和自动化设备的使用正在扩大。


 1.光栅栏式位移传感器的工作原理

     光栅型传感器是利用莫尔条纹现象进行测量的。光栅型传感器由光源、光栅、指示光栅、光电元件构成,通过对光电元件接收的信号进行电路处理,可以获得光栅和指示光栅的相对位移。指示格子上的线迹和标尺格子上的线迹成角度放置两个标尺的话,两个标尺上的线迹必然会交叉。在光源的照射下,由于在交叉点附近的小区域内黑线重叠,所以遮光面积最小,遮光效果最弱,由于光的蓄积作用,该区域成为明带。相反,在远离交叉路口的区域中,两个标尺的不透明的黑条的重叠部分越少,不透明的区域的面积越大,即遮光面积越大,遮光效果越强,只有少的光线通过该区域,透过光栅,该区域成为暗带 。

   以透射光栅为例,在指示光栅上的线状条纹和标尺光栅上的线状条纹之间形成小的角度θ,并且两个水垢晶体生长面相对平行配置时,在光源的照射下,位于大致垂直的格子状条纹上,形成明暗之间的条纹。这些条纹被称为“莫尔条纹”(如图所示)。严格地说,莫尔条纹排列方向与2条格线所成的二等分线垂直。将莫尔条纹2个条纹或2个条纹间的距离称为莫尔条纹的宽度,用w表示。


1.png

   w =ω/2* sin (θ/2) =ω/θ

莫尔条纹具有以下特征:

 a.莫尔条纹变化的规律

    两片光栅相对移过一个栅距,莫尔条纹只移动1个条纹距离。由于光的衍射和干涉,莫尔条纹的变化规则近似于正弦函数,变化周期数与光栅的相对位移的间距数同步。

  b.扩大作用。 

    两片光栅线角度小时,莫尔条纹宽度ω与格子间距w、栅极线角度θ之间存在以下关系。式中,θ单位为rad,w的单位为mm。 倾斜角小sinθ小。

    w =ω/θ 

    ω= 0.01 mm,θ= 0. 设定为01 rad时,在上式中w = 1,即光栅扩大到100倍。 

 c.均匀化误差作用

    莫尔条纹是共同形成有多个格子条纹的条纹,例如,在每1 mm 100条格子条纹中,宽度10 mm的莫尔条纹成为1000条莫尔条纹,间距的邻接误差被平均化,消除了由间距不均、裂纹等引起的误差。

 2.png

   光栅测量位移的本质是以晶格间距为基准的规定位置对准秤量进行测量的。高分辨率的光栅尺一般价格高,制造困难。 为了提高系统分辨率,需要将莫尔条纹细分化,现在( 2006年)光栅尺位移传感器系统中多使用电子细分化法。两片光栅以微小倾斜角重叠时,在与格子的得分线大致垂直的方向上产生莫尔条纹,伴随着格子的移动莫尔条纹也上下移动。这样,将光栅间距的测定转换为莫尔条纹根数的测定。

    在一个莫尔条纹宽度内,通过以一定间隔配置一个光电元件,可以实现电子的细分化和判别功能。例如,栅线为50线对/ mm的刻度,光栅间距为0.02 mm,4分割可以得到分辨率5μm的计数脉冲,这在工业性的普通计测控制中非常高精度。位移是检测其大小并检测其方向矢量,因此至少需要2个相位不同的光信号。为了去除共模噪声、直流成分及偶次高次谐波,一般使用由低漂移移相构成的差动放大器。从4个受光元件得到的4个通道的光信号分别被送到2个差动放大器的输入端,从差动放大器输出的2个信号的相位差为π/ 2,为了得到判定脉冲和计数脉冲,对这2个信号进行整形,首先整形为占空比为1∶1的方波。而且,通过判别比较对方波的相位,可以得到光栅尺的移动方向。通过用对方波脉冲进行计数,可以得到光栅尺位移速度


2.光栅式传感器的种类

 光栅传感器种类多,根据用途有长条光栅类型和圆光栅类型。。

 (1)长光栅。 长条光栅(也称光栅尺)用于长度和直线位置的测定,其分数线相互平行。 长光栅栅极线的疏密如栅极线间距w = 0那样,用长1毫米的栅极线数(也称为栅极线密度)来表示,如W=0.02mm,栅极线密度50线/mm。

 长尺寸光栅有振幅光栅和相位光栅两种。振幅光栅式也称为调制入射振幅的黑白光栅,分为透过光栅和反射光栅2种。可以在玻璃表面制作透明和不透明的间隔相等的线,制作透射光栅。金属表面或玻璃涂层的全反射或扩散反射相同,两者之间有吸收线,可以作为反射光栅。相位光栅型是调制入射光波相位的光栅型,也有透射光栅和反射光栅两种形态。透射光栅式直接刻划玻璃上具有一定截面形状的线。反射型相位光栅通常将作为相位光栅得分线的沟以机械方式冲裁成金属。振幅光栅与相位光栅相比转印容易且廉价,现在大部分光栅型传感器采用振幅式。

 (2)圆光栅。 刻在圆板上的格子也被称为用于测量角度和角位移的圆光栅。圆光栅参数表示圆光栅上相邻的2条格子线间的角度,大多用完全圆的得分线或俯仰角(俯仰角)来表示。

 根据格子线的划线,圆格子可以分为2种,1种是放射状格子,其格子线的延长线通过格子盘的中心。。 另外一个是,所有的栅格线都与栅格板同心的直径0点到数毫米~数毫米的小圆相切。切向光栅在要求精度的情况下使用。

 圆光栅只有透射光栅


 3. 光栅式传感器的优点和缺点

 (1)优点:

    精度高。光栅型传感器与激光干涉传感器相比,只是长度测定和直线位移精度低,在角度位移测定中,光栅型传感器的精度最高。范围大、分辨率高。耐干扰性优良。动态测量成为可能。

 (2)缺点:

    对环境的要求很高,油和粉尘会影响可靠性和精度。

      

4.光栅传感器的应用和未来的发展

 (1)应用行业的概况

  a.机床。

   机床用的光栅测量系统是现代高级数控机床的重要功能部件。随着机床加工精度、进给速度、加工效率的高速化,机床不固定的弹性变形、热变形引起的机床误差,用以往补偿几何学误差的方法中比较困难。因此,需要使用全闭环机床光栅位移传感器(光栅尺)进行位置控制。 光栅位移传感器有光栅尺和光栅编码器。光栅尺作为长度测定。圆光栅编码器作为旋转运动和角度测量分为旋转编码器和角度编码器。

    由现在的线位移角位移传感器构成的测量系统正在从增量测量方法向绝对值测量方法进化。配备绝对光栅位移传感器的机床和生产线,在重新启动后不需要寻找零,因为可以立即重新取得各轴的绝对位置和刀具的空间点,所以可以从中断处继续进行加工程序,大幅度提高数控机床的有效加工时间。在光栅尺中使用绝对式的已增加到30%。

     中国2008年数控机床产量12万台,其中采用光栅全闭的较高级数控机床仅占百分之十几,大部分采用德国heidenhain和西班牙fagord的光栅测量系统,中型数控机床。2008年,这两家全闭环衍射光栅测量系统的销售额达到了3亿人民币。

  b .三坐标测量机( CMM )

    三坐标测量机是20年来新发展起来的高效精密仪器,在各行业部门得到了广泛应用。复杂零件的几何尺寸和相互位置测量(例如,发动机外壳、凸轮、涡轮叶片、螺旋桨、汽车车身、飞机车身等空间型面的测量、曲面点的x、y、z坐标的测量、保存、显示),以及空间型面的扫描制作轮廓,确定个部分的误差值等。另外,也可以进行划线、钻头、铣削定位、脱模、光刻用集成电路基板等。


    三坐标测量机是以精密机械为基础,综合了电子、计算机、格子式位置传感器等先进技术的检测器。测定系统是三维测定机最重要的构成要素,直接影响坐标测定机的精度、成本、寿命。 光栅测量系统的测量精度高,在1米的范围内可以得到2μm的精度,因此在三坐标测量机中使用最多。

 

 (2)光栅传感器的前景

 a.具有高效、可靠的诊断功能的接口技术

  endnt数据接口是为编码器开发的海德汉(海德汉)数字双向传送数据传送接口,不仅以增量或绝对比例传送位置数据,而且传送比例参数、OEM数据、警报及诊断信息。

 非常明显的特点:通用全部数字接口适用于所有增量和绝对式光栅尺。高达16 MHz的高速数据传输速度信号质量提高,磁头内部的特别优化提高了系统精度。实用性更高,自动系统构成功能,数字信号提高系统可靠性,信息监控和诊断对系统安全有利,冗余编码检查对可靠性高的信号传输有利。安全设计理念、2个独立的位置信息和错误信息位、数据调试的校验和响应。适用于高速、高精细化趋势(高分辨率、短扫描周期)直接驱动技术。

 b.分辨率达到微微分级的光栅尺技术

   目前最精密的1 nm测量系统是德国heidenhain (海德汉) lip f 300系列规模,测量长度270 mm,Sony的bs78系列激光规模是复印机级,是21世纪精密检查的巨大飞跃。

C.  绝对式钢带/玻璃光栅技术

  当前正在使用的光栅,鉴于设备关闭、突然断电、重新启动后设备的各轴需要返回零点,新开发的光栅尺绝对位置值信息直接来自光栅尺分数,因此不移动轴而使设备零点。 由此,特别是在输送线和多轴机床等设备中,可以迅速重启。海德汉(海德汉)发表了新一代绝对开放型刻度lic 4000系列。


5. 改善光栅式传感器的性能

 格子型传感器的误差可通过修正技术进行修正。通过与标准光栅尺的比较(通常是激光干涉仪),发现光栅型传感器的误差变化的规律,检测其大小和方向,使用电子电路(硬件)和软件实现误差补偿。

都睿感控科技公司设计开发的传感器,包括霍尔传感器等各类型,满足客户的需求。

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