光栅数字传感器

光栅的类型和结构

　　光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按照工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅，物理光栅基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长等测量；计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的器件，常用于位移的精密测量。
　　按用途和结构形式，计量光栅又可分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。实际应用时，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，透射光栅是在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成的，而反射光栅则是在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹所形成。本节主要讨论透射式计量光栅。
　　透射光栅的结构如图12.1.1所示，a为刻线（不透光）宽度，b为缝隙（透光）宽度， W = a+b称为光栅的栅距，一般a=b，也可做成a:b=1.1:0.9。常用的透射光栅的刻线密度一般为每毫米10、25、50、100、250条线，刻线的密度由测量精度决定。

图12.1.1  透射光栅

光栅数字传感器的工作原理

　　光栅数字传感器，通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成，如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1（主光栅）和指示光栅2组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。

1.莫尔条纹
　　将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图12.1.3所示。当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条/mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ（单位为rad）之间的关系为
　　　　　　　　（12.1.1）
　　（12.1.2）

K­称为放大倍数。
莫尔条纹有如下几个重要特性：
（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应
　　当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。
（2）莫尔条纹具有位移放大作用
　　当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由式（12.1.1）可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ θ倍。例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。
（3）莫尔条纹具有误差平均效应
　　莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。
（4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化
　　由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。
当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。
2．光电转换
　　主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件（如硅光电池等）将光信号转换成电信号。
在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。光电器件的输出电压可用公式表示为
（12.1.3）
式中——输出信号中的直流分量；
——输出信号中的交流分量幅值；
x——两光栅的相对位移。

通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为
（12.1.4）

辨向与细分电路

1.辨向电路
　　无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。
　　但是，仅有一个光电元件的输出无法判别光栅的移动方向，因为在一点观察时，不论主光栅向哪个方向运动，莫尔条纹均作明暗交替变化。为了辨别方向，通常采用在相隔1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90º的两个信号，然后送到如图12.1.5所示的辨向电路进行处理。

　　假设当主光栅向左移动时，莫尔条纹向上移动，两个光电元件分别输出电压信号U1和U2，如图12.1.6（a），经过放大、整形，得到两个相位差为的方波信号和。经反相后得到，、经过微分电路后得到两组电脉冲、，分别输入到与门、。对于与门Y1，由于处于高电平时，总是为低电平，故脉冲被阻塞，Y1输出为零；对于与门Y2，处于高电平时，也为高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置1，可逆计数器对与门Y`输出的脉冲进行加法计数。同理，当标尺光栅向右移动时，输出信号波形如图12.1.6（b）所示，与门Y2被阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置0，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行减法计数。主光栅每移动一个栅距，辨向电路只输出一个脉冲。计数器所计的脉冲个数即代表光栅的位移。
2.细分电路
　　光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1）增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制。2）采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而得到比栅距更小的分度值，使分辨力提高到。
　　细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等。下面介绍常用的直接细分方法。

直接细分又称位置细分，常用细分数为4，因此也称为四倍频细分。图12.1.7给出了一种四倍频细分电路及其波形。在上述辨向电路的基础上，将获得的两个相位相差90º的正弦信号分别整形和反相，就可得到4个相位依次为0°(S)、90º(C)、180º()、270º()的方波信号，经RC微分电路后就可在光栅移动一个栅距时，得到均匀分布的4个计数脉冲，再送到可逆计数器进行加法或减法计数，这样可将分辩率提高4倍。

　　　　　　　　　　　　　图12.1.7 四倍频细分电路及波形　  

　　四倍频细分的优点是电路简单，对莫尔条纹信号的波形无严格要求，其缺点是细分数不高。采用电桥细分、调制信号细分、锁相细分等可有效提高细分数，有关细分电路请参阅其他资料。

光栅数字传感器的应用

　　光栅数字传感器具有测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态特性好，适合于非接触式动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。但是光栅在工业现场使用时，对工作环境要求较高，不能承受大的冲击和振动，要求密封，以防止尘埃、油污和铁屑等的污染，成本较高。
　　图12.1.8所示为光栅数字传感器用于数控机床的位置检测和位置闭环控制系统框图。由控制系统生成的位置指令Pc控制工作台移动。工作台移动过程中，光栅数字传感器不断检测工作台的实际位置，并进行反馈（与位置指令Pc比较），形成位置偏差Pe（Pe＝－Pc）。当＝Pc时，则P＝0，表示工作台已到达指令位置，伺服电动机停转，工作台准确地停在指令位置上。