開放式光柵尺是基于光柵的光學(xué)原理來實現(xiàn)位移測量的。其主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光源和光電檢測裝置等部分組成。當(dāng)光源發(fā)出的光照射到標(biāo)尺光柵上時,由于光柵上刻有規(guī)則的條紋,光線會在條紋處發(fā)生衍射和透射。而指示光柵與標(biāo)尺光柵相對放置且兩者之間存在一個很小的夾角。當(dāng)這兩部分光柵疊加時,就會產(chǎn)生莫爾條紋現(xiàn)象。莫爾條紋是一種明暗相間的條紋圖案,其間距遠(yuǎn)大于光柵本身的條紋間距,這使得對微小位移的測量變得更加容易。
隨著被測物體的移動,標(biāo)尺光柵相對于指示光柵產(chǎn)生位移,莫爾條紋也會相應(yīng)地發(fā)生移動。光電檢測裝置會檢測到莫爾條紋的變化,并將其轉(zhuǎn)化為電信號。這個電信號的變化規(guī)律與被測物體的位移量之間存在著確定的對應(yīng)關(guān)系。通過對電信號進(jìn)行處理,例如經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換等操作,就可以準(zhǔn)確地得到被測物體的位移數(shù)值。
開放式光柵尺優(yōu)點(diǎn):
(一)高精度測量
1.莫爾條紋的放大作用:如上述工作原理中提到的,莫爾條紋的間距遠(yuǎn)大于光柵本身的條紋間距。這種放大作用使得即使是微小的位移,也能引起莫爾條紋明顯的移動,從而提高了測量的精度。例如在精密機(jī)床加工中,對于微米甚至納米級別的位移變化,能夠準(zhǔn)確地捕捉并測量。
2.高分辨率:分辨率可以達(dá)到非常高的水平,能夠滿足對高精度測量的需求。在一些對精度要求高的科研實驗和精密制造領(lǐng)域,如半導(dǎo)體芯片制造、光學(xué)器件加工等,開放式光柵尺的高精度測量能力可以確保產(chǎn)品質(zhì)量和工藝的準(zhǔn)確性。
(二)非接觸式測量
1.避免磨損:與一些接觸式測量工具不同,采用光學(xué)原理進(jìn)行非接觸式測量。這意味著在測量過程中,不會因為測量頭與被測物體之間的物理接觸而產(chǎn)生磨損,從而延長了光柵尺的使用壽命,尤其適用于對被測物體表面精度要求高、不能承受磨損的場合,如高精度光學(xué)鏡片的加工測量。
2.減少干擾:非接觸式測量方式也減少了因接觸而產(chǎn)生的摩擦力、振動等因素對測量結(jié)果的影響,提高了測量的穩(wěn)定性和可靠性。在高速運(yùn)動的測量場景中,如數(shù)控機(jī)床的快速進(jìn)給運(yùn)動測量,這種非接觸式的優(yōu)勢更加明顯。
(三)響應(yīng)速度快
1.光學(xué)信號傳輸迅速:由于光的傳播速度快,在檢測到位移變化后,能夠迅速地將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,并及時輸出測量結(jié)果。這使得它在實時性要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色,例如在自動化生產(chǎn)線上,對于高速運(yùn)動的工件進(jìn)行實時位置監(jiān)測和反饋控制,能夠快速準(zhǔn)確地提供位移信息,保證生產(chǎn)過程的高效進(jìn)行。
2.適合動態(tài)測量:在動態(tài)測量環(huán)境下,如振動測試、高速運(yùn)動的物體跟蹤等,開放式光柵尺的快速響應(yīng)能力可以有效地捕捉到物體的瞬時位移變化,為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。
(四)安裝方便
1.結(jié)構(gòu)相對簡單:開放式光柵尺的結(jié)構(gòu)沒有復(fù)雜的機(jī)械傳動部件或密封結(jié)構(gòu),相比于一些封閉式的光柵尺或其他類型的位移傳感器,其安裝過程更加簡便。只需要將標(biāo)尺光柵安裝在被測物體上,指示光柵和光電檢測裝置安裝在相應(yīng)的固定位置,并保證兩者之間的正確對位即可。
2.對安裝環(huán)境要求相對較低:雖然對環(huán)境中的灰塵、油污等污染物比較敏感,但在一般的潔凈工作環(huán)境中,其安裝和維護(hù)相對容易。而且在一些需要對較大尺寸物體進(jìn)行測量的場合,開放式光柵尺可以方便地進(jìn)行安裝和布局,不受太多空間限制。