光柵數字傳感器

光柵的類型和結構

　　光柵是由很多等節距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構成的光電器件。按照工作原理，光柵可分為物理光柵和計量光柵，物理光柵基于光柵的衍射現象，常用于光譜分析和光波長等測量；計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現象進行測量的器件，常用于位移的精密測量。
　　按用途和結構形式，計量光柵又可分為測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。實際應用時，計量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，透射光柵是在透明光學玻璃上均勻刻制出平行等間距的條紋形成的，而反射光柵則是在不透光的金屬載體上刻制出等間距的條紋所形成。本節主要討論透射式計量光柵。
　　透射光柵的結構如圖12.1.1所示，a為刻線（不透光）寬度，b為縫隙（透光）寬度， W = a+b稱為光柵的柵距，一般a=b，也可做成a:b=1.1:0.9。常用的透射光柵的刻線密度一般為每毫米10、25、50、100、250條線，刻線的密度由測量精度決定。

圖12.1.1? 透射光柵

光柵數字傳感器的工作原理

　　光柵數字傳感器，通常由光源5(聚光鏡4)、計量光柵、光電器件3及測量電路等部分組成，如圖12.1.2所示。計量光柵由標尺光柵1（主光柵）和指示光柵2組成，因此計量光柵又稱光柵副，它決定了整個系統的測量精度。一般主光柵和指示光柵的刻線密度相同，但主光柵要比指示光柵長得多。測量時主光柵與被測對象連在一起，并隨其運動，指示光柵固定不動，因此主光柵的有效長度決定了傳感器的測量范圍。

1.莫爾條紋
　　將主光柵與標尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ，如圖12.1.3所示。當有光源照射時，由于擋光效應（對刻線密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對刻線密度≥100條/mm的光柵），與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開的地方，形成暗帶；這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ（單位為rad）之間的關系為
　　　　　　　?。?2.1.1）
　?。?2.1.2）

K-稱為放大倍數。
莫爾條紋有如下幾個重要特性：
（1）莫爾條紋的運動與光柵的運動一一對應
　　當指示光柵不動，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動；光柵反向移動，莫爾條紋也反向移動。主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋也相應移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動，就能測量光柵移動的大小和方向，這要比直接對光柵進行測量容易得多。
（2）莫爾條紋具有位移放大作用
　　當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距。當兩個光柵刻線夾角θ較小時，由式（12.1.1）可知，W一定時，θ愈小，則B愈大，相當于把柵距W放大了1/ θ倍。例如，對50條/mm的光柵，W=0.02mm，若取，則莫爾條紋間距，K=573，相當于將柵距放大了573倍。因此，莫爾條紋的放大倍數相當大，可以實現高靈敏度的位移測量。
（3）莫爾條紋具有誤差平均效應
　　莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對刻線誤差具有平均效應，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此，計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。
（4）莫爾條紋的間距S隨光柵刻線夾角θ變化
　　由于光柵刻線夾角θ可以調節，因此可以根據需要改變θ的大小來調節莫爾條紋的間距，這給實際應用帶來了方便。
當兩光柵的相對移動方向不變時，改變θ的方向，則莫爾條紋的移動方向改變。
2．光電轉換
　　主光柵和指示光柵的相對位移產生了莫爾條紋，為了測量莫爾條紋的位移，必須通過光電器件（如硅光電池等）將光信號轉換成電信號。
在光柵的適當位置放置光電器件，當兩光柵作相對移動時，光電器件上的光強隨莫爾條紋移動，光強變化為正弦曲線，如圖12.1.4所示。在a位置，兩個光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電器件輸出的電信號也最大；在c位置由于光被遮去一半，光強減??；位置d的光被完全遮去而成全黑，光強最?。蝗艄鈻爬^續移動，透射到光電器件上的光強又逐漸增大。光電器件上的光強變化近似于正弦曲線，光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期。光電器件的輸出電壓可用公式表示為
（12.1.3）
式中——輸出信號中的直流分量；
——輸出信號中的交流分量幅值；
x——兩光柵的相對位移。

通過整形電路，將正弦信號轉變成方波脈沖信號，則每經過一個周期輸出一個方波脈沖，這樣脈沖總數N就與光柵移動的柵距數相對應，因此光柵的位移為
（12.1.4）

辨向與細分電路

1.辨向電路
　　無論測量直線位移還是測量角位移，都必須能夠根據傳感器的輸出信號判別移動的方向，即判斷是正向移動還是反向移動，是順時針旋轉還是逆時針旋轉。
　　但是，僅有一個光電元件的輸出無法判別光柵的移動方向，因為在一點觀察時，不論主光柵向哪個方向運動，莫爾條紋均作明暗交替變化。為了辨別方向，通常采用在相隔1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90o的兩個信號，然后送到如圖12.1.5所示的辨向電路進行處理。

　　假設當主光柵向左移動時，莫爾條紋向上移動，兩個光電元件分別輸出電壓信號U1和U2，如圖12.1.6（a），經過放大、整形，得到兩個相位差為的方波信號和。經反相后得到，、經過微分電路后得到兩組電脈沖、，分別輸入到與門、。對于與門Y1，由于處于高電平時，總是為低電平，故脈沖被阻塞，Y1輸出為零；對于與門Y2，處于高電平時，也為高電平，故允許脈沖通過，并觸發加減控制觸發器使之置1，可逆計數器對與門Y`輸出的脈沖進行加法計數。同理，當標尺光柵向右移動時，輸出信號波形如圖12.1.6（b）所示，與門Y2被阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發器置0，可逆計數器對與門Y2輸出的脈沖進行減法計數。主光柵每移動一個柵距，辨向電路只輸出一個脈沖。計數器所計的脈沖個數即代表光柵的位移。
2.細分電路
　　光柵數字傳感器的測量分辨率等于一個柵距。但是，在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實現：1）增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2）采用細分技術，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨力提高到。
　　細分的方法有多種，如直接細分、電橋細分、鎖相細分、調制信號細分、軟件細分等。下面介紹常用的直接細分方法。

直接細分又稱位置細分，常用細分數為4，因此也稱為四倍頻細分。圖12.1.7給出了一種四倍頻細分電路及其波形。在上述辨向電路的基礎上，將獲得的兩個相位相差90o的正弦信號分別整形和反相，就可得到4個相位依次為0°(S)、90o(C)、180o()、270o()的方波信號，經RC微分電路后就可在光柵移動一個柵距時，得到均勻分布的4個計數脈沖，再送到可逆計數器進行加法或減法計數，這樣可將分辯率提高4倍。

　　　　　　　　　　　　　圖12.1.7 四倍頻細分電路及波形　 ?

　　四倍頻細分的優點是電路簡單，對莫爾條紋信號的波形無嚴格要求，其缺點是細分數不高。采用電橋細分、調制信號細分、鎖相細分等可有效提高細分數，有關細分電路請參閱其他資料。

光柵數字傳感器的應用

　　光柵數字傳感器具有測量精度高，分辨率高，測量范圍大，動態特性好，適合于非接觸式動態測量，易于實現自動控制，廣泛用于數控機床和精密測量設備中。但是光柵在工業現場使用時，對工作環境要求較高，不能承受大的沖擊和振動，要求密封，以防止塵埃、油污和鐵屑等的污染，成本較高。
　　圖12.1.8所示為光柵數字傳感器用于數控機床的位置檢測和位置閉環控制系統框圖。由控制系統生成的位置指令Pc控制工作臺移動。工作臺移動過程中，光柵數字傳感器不斷檢測工作臺的實際位置，并進行反饋（與位置指令Pc比較），形成位置偏差Pe（Pe＝－Pc）。當＝Pc時，則P＝0，表示工作臺已到達指令位置，伺服電動機停轉，工作臺準確地停在指令位置上。