Прецизионные датчики линейных перемещений

 

Прецизионные датчики линейных перемещений строятся на основе растровых шкал, метрологических дифракционных решеток и лазерных интерферометров. Первые два вида ДЛП строятся на одинаковом принципе контроля перемещений. Они имеют длинную шкалу в виде периодически нанесенных штрихов и визирную короткую шкалу с таким же или кратным периодом штрихов и отверстий. Если пространственная частота расположения штрихов на шкалах не превышает 50-100 мм^-1, они называются растровыми шкалами, а если выше 100 мм^-1 – метрологическими дифракционными решетками (или дифракционными решетками). Так как дискретность перемещений часто бывает менее 1 мкм, то казалось бы, чем выше частота штрихов, тем легче конструировать схемы формирования электрических импульсов. Однако простая замена растровых шкал дифракционными решетками затрудняется рядом возникающих при этом эффектов, делающих ДЛП чувствительными к изменению расстояния между мерой и визирной шкалой, длиной волны и пр. Системы на основе растровых шкал дифракционных решеток имеют две разновидности – накапливающие системы и системы, использующие эффект муаровых картин.

Накапливающие системы

 

Накапливающие системы используют систему отражающих или пропускающих оптических решеток. Конструкция оптических ДЛП с отражающей решеткой показана. Диафрагма сканирующей головки содержит 4 щели. Щели размещены так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки. Так сигналы, из-за смещения щелей сдвинуты по фазе и квазисинусоидальные сигналы фотоприемников. Разрешающая способность таких систем 0.5 мкм, что при общей погрешности не более 1 мкм для измерения перемещений в диапазоне 1-2 см.

Недостаток метода: требуется строгая параллельность линий рисок и линейки двигателя. Вторая система решеток использует метод муаровых полос.

Метод муаровых полос.

 

Муаровые полосы – система темных зон, образуемых при наложении и подсвечивании двух идентичных слегка смещенных под углом друг относительно друга решеток.

 

Рисунок  - ДЛП перемещений с отражающей решеткой.

 

1 – источник света, 2 – конденсорные линзы, 3 – стальная шкала с решеткой, 4 - диафрагма, 5 – фотоприемник.

 

При смещении решеток друг относительно друга зоны (темные и светлые) смещаются друг относительно друга вверх-вниз на расстояние l. Р – шаг решетки, θ – угол наклона.

Основные преимущества способа: (отражательной оптики)

1. муаровая картина не зависит от длины волны света в сравнительно широком диапазоне длин волн. Это позволяет применять в качестве источника света обычные миниатюрные лампы накаливания.

2. сохраняется высокий контраст муаровой картины при относительно больших (до десяти мм) зазорах между решетками.

3. шаг муаровой картины может соответствовать величине перемещений в несколько раз меньше, чем расстояние между штрихами решеток.

Муаровая картина формируется на выходе прозрачной решетки. Линейная ширина периода муаровой картины равна:

 , (1)

где, d₁ – постоянная прозрачной решетки, θ – угол разворота штрихов.

 

 

Рисунок  - Схема образования муаровых полос.

 

В ДЛП этот угол равен примерно 10^-4, так, что перемещению решетки на 1 мкм соответствует сдвиг муаровой картины на 10 мм, что легко фиксируется фотоприемником.

Обычно достаточно двух фотоприемников. При перемещении в них формируются сигналы:

I₁ = k₁(E₀ + Ecos2πX/ε) (2)

I₂ = k₂(E₀ ± Esin2πX/ε), (3)

где k₁, k₂ – чувствительность фотоприемника, Е₀ – уровень постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей освещенности муаровой картины, Х – величина перемещения,  - цена периода муаровой картины.

d₂ – постоянная отражающей решетки, q_i – порядок дифракционного максимума.

Поскольку на 2 максимуме отражения при равнобедренных рисках приходится 80% отражающей энергии, то q = 2, ε = d₂/4.

При определении положения с точностью ±ε возникают трудности интерполяции из-за колебаний постоянной освещенности Е₀, которая зависит от многих факторов, в том числе и от колебаний яркости источника света, от изменяющееся отражательной способности решеток и т.д.

Поэтому иногда в ДЛП применяются фотоприемники, расположенные вдоль муаровой картины, со сдвигом на четверть периода и формируются два сигнала, каждый из которых представляет собой разность сигналов двух фотоприемников, расположенных на расстоянии половины периода муаровой картины.