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光栅尺的工作原理

作者:思长约光学仪器发布时间:2019-09-06 14:07人气:

  光栅尺的原理是什么?

  光栅尺,简单理解就是一把尺子。

  打个比方,游标卡尺都用过,再或者卷尺,尺子上面有刻度,这些刻度作为基准,你只需要把要测的物件,和卡尺上的刻度做比较,就可以用来衡量长度、大小、深度等信息。

  同样地,光栅尺上也有“刻度”,这种刻度叫光栅,是通过光刻刻在尺子上的,只不过,它不是通过人眼来读取信息,而是通过配套的读数头,来读取位置信息。

  实际原理是不是要复杂得多?

  没错。实际原理确实复杂很多:光栅是在玻璃或钢带尺上,制作的一系列条纹和狭缝,一个条纹和一个狭缝的宽度称为栅距,常见栅距20um。

  读数头每扫描一个栅距,就产生一个正弦波信号周期,此信号再通过一个电子电路进行细分(读数头内置的或者外部细分盒),比如5,10,50,100倍的细分,所以可以达到很高的分辨率。

光栅尺的工作原理

  比如,一个20um栅距,经过50倍细分,那一个周期就是0.4um,这就是厂商说的分辨率。

  那么,读数头怎么可以扫描光栅读取数据呢?

  光栅尺的原理

  读数头中有和尺体栅距一样的指示光栅(Scanning reticle),并且读数头中本身有LED光源,当读数头相对于光栅尺(Scale)移动时,LED光在经过了聚焦镜后(Condenser lens),照射到光栅尺上,然后光通过光栅狭缝,衍射到读数头的光电探测器上(Photocells),这样就在探测器平面上,产生了明暗相间的正弦干涉条纹。

  接着,探测器把这些条纹,转换成正弦波变化的电信号,再经过电路的放大和整形后,得到两个相位差90度的正弦波,或方波信号A和B。

  正弦波或方波的周期数,与移动距离成正比。尺体正向移动时,A信号超前B信号90度,尺体反向移动时,A信号滞后B信号90度。

  如果转换成方波信号,做4倍频细分,一个周期里有4个上升沿,这个时候的分辨率只对应着一个上升沿,也就是1/4周期(脉冲)。

  需要注意的是,实际情况,光电探测器和LED在光栅尺的同一侧,都集成在读数头中。当光照射到光栅尺后,有一部分光会反射回去,然后通过聚焦镜,照射回光电探测器,形成电信号。

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