Основные методы измерения длины с помощью датчиков линейных перемещений HEIDENHAIN

Принципы измерения. Шкала.

Измерительные датчики HEIDENHAIN основаны на оптическом методе считывания, они имеют шкалу с равномерной текстурой – так называемые штрихи. Носителем для штрихов является стекло или сталь. В линейных датчиках больших длин в качестве носителя служит стальная лента. Высокоточные штрихи наносятся на носитель всевозможными фотолитографическими методами. Шкалы делают из следующих материалов:

    - штрихи из хрома на носителе из стекла

    - вытравленные матовые штрихи на позолоченной стальной ленте

    - трехмерные структурные решетки на стекле или стали

Компания HEIDENHAIN разработала свои фотолитографические методы нанесения штрихов, которые позволяют достичь периода сигнала от 40 мкм до 4 мкм. Кроме периода шкалы высокой точности , изготовленная такими методами, шкала имеет профиль с очень четкими и ровными краями. Вместе с фотоэлектрическим методом считывания эти шкалы способны достичь выходного сигнала очень высокой точности. HEIDENHAIN изготавливает эталоны на высокопрецизионных станках на собственном производстве.

Абсолютный метод измерения длины с помощью датчиков линейных перемещений HEIDENHAIN

При абсолютном методе измерения сразу после включения аппаратуры становится доступным абсолютное значение положения оси на текущий момент, оно может быть считано измерительной электроникой. Прохождение определенного участка пути для определения положения в этом случае не требуется. Информация о текущем положении считывается с закодированной специальным образом шкалы. Для генерации выходного инкрементального сигнала применяется отдельная дорожка со штрихами.

Инкрементальный метод измерения

В инкрементальном методе измерения шкала состоит лишь из одного ряда равномерных штрихов. Данные о положении становятся доступными путем подсчета отдельных инкрементов (шагов измерения) относительно выбранной нулевой точки. Для определения положения нужна абсолютная точка отсчета, в качестве которой на шкале применяется отдельный ряд штрихов, несущий референтную метку. У референтная метки такой же период сигнала, как и у инкрементального сигнала. Для восстановления или установки заново нулевой точки нужно проехать референтную метку. В худшем случае, для пересечения референтной метки, нужно проехать большую часть измеряемого пути. Для того, чтобы уменьшить этот участок многие линейные датчики фирмы HEIDENHAIN обладают кодированными референтными метками : дополнительный ряд штрихов имеет множество референтных меток на разном расстоянии друг от друга. Электроника определяет абсолютное положение после пересечения двух реф. меток, т.е. всего лишь через несколько миллиметров пройденного пути. Кодированные датчики линейных перемещений обозначены буквой “С”, которая следует за типом линейки (например, LS 487 C).

Нулевая точка в кодированных датчиках можно определить путем подсчета инкрементов между двумя референтными метками и находят её по следующей формуле:

P1 = (abs B–sgn B–1) x G/2 + (sgn B–sgn V) x abs MRR/2

B = 2 x MRR–G

Условные обозначения:

    P1 = положение первой пройденной реф. метки в периодах сигнала

    abs = абсолютное значение

    sgn = знак числа (= “+1” или “–1”),

    MRR = число периодов сигнала между двумя пересеченными реф . метками

    G = базовое расстояние между двумя фиксированными реф . метками в периодах сигнала (см. таблицу)

    V = направление движения (+1 или –1) движение считывающей головки вправо (при правильной установке) соответствует “+1”

Фотоэлектрический метод считывания

Большинство приборов фирмы HEIDENHAIN основаны на фотоэлектрическом способе считывания. Фотоэлектрическое считывание производится без контакта, поэтому отсутствуют изнашиваемые элементы. Этот способ позволяет распознавать штрихи шириной в несколько микрометров и генерировать выходной сигнал с очень маленьким периодом. Чем меньше период штрихов шкалы, тем большее влияние оказывает дифракция на фотоэлектрическое считывание. HEIDENHAIN использует в линейных датчиках два метода считывания:

    - Отображающий метод для периодов штрихов шкалы 20 мкм и 40 мкм

    - Интерферентный метод для очень маленьких периодов штрихов, например, 8 мкм

Отображающий метод считывания

В упрощенном виде отображающий метод – это генерация сигнала на основе значений свет/тень: две шкалы со штрихами одинакового или похожего периода (шкала и шаблон) двигаются друг относительно друга. Носитель штрихов шаблона делается из прозрачного материала, носитель самой шкалы тоже может быть прозрачным или иметь металлическую рефлектирующую поверхность. После прохождения параллельных лучей света через шаблон образуется определенная свето-теневая последовательность. Далее прошедшее излучение попадает на шкалу. При движении шаблона вдоль шкалы штрихи на шаблоне могут совпадать со штрихами на шкале, образуя в местах просветов на выходе “свет”, либо штрихи накладываются на просветы и на выходе получается “тень”. Ряд фотоэлементов преобразует этот световой сигнал в электрический.

Штрихи на шаблоне, структурированные специальным образом , фильтруют световой поток так, чтобы он приближался к синусоидальной форме. Чем меньше расстояние между штрихами, тем меньше и точнее должно быть расстояние между шкалой и считывающим элементом. На отображающем методе считывания работают такие датчики линейного перемещения, как LC, LS и LB.

Интерферентный метод считывания

Интерферентный метод основан на дифракции и интерференции света при прохождении его сквозь прецизионные штрихи. Из полученного сигнала впоследствии можно вычислить пройденный путь .В качестве шкалы используется дифракционная ступенчатая решетка – на рефлектирующую поверхность наносятся рефлектирующие штрихи высотой 0,2 мкм. Перед ней находится пропускающий излучение шаблон с фазовой решеткой такого же периода, как и у шкалы. При попадании световой волны на шаблон, она разделяется на три волны, 1, 0 и –1 порядков, с примерно равной интенсивностью. От шкалы с фазовой решеткой они отражаются таким образом, что наибольшая интенсивность оказывается у волн 1 и –1 порядков. Эти волны снова встречаются на шаблоне и накладываясь друг на друга огибают его штрихи. При этом образуются две группы волн, которые покидают шаблон под разными углами. Фотоэлементы преобразуют интенсивность волн в электрический сигнал.

При сдвиге шаблона относительно шкалы на один период, фронт волны 1-го порядка сдвигается на одну длину волны в плюс, а фронт волны –1- го порядка на одну длину волны в минус. Так как эти две волны интерферируют после шаблона, то их сдвиг достигает двух длин волн. Таким образом, получается два периода сигнала при одном относительном сдвиге на один период. Приборы с интерферентным методом считывания работают со шкалами, период которых составляет 8 мкм, 4 мкм и меньше. Их сигнал не содержит высоких гармоник и может быть интерполирован. Они применяются при высоких требованиях к точности и разрешению. Датчики линейных перемещений, основанные на интерферентном методе считывания, обозначаются типом LF.

Интерферентный метод считывания (оптическая схема)

Период шкалы

Смещение фазы световой волны при прохождении через шаблон

Смещение фазы световой волны при движении шкалы вдоль оси х