光栅传感器的结构和原理解析

1.光栅传感器的结构

如图11-9 所示，不论反射式或者透射式光栅传感器，均由光源、主光栅、指示光栅和光电元件几个主要部分构成。

(1)光源：过去采用钨丝灯泡，它有较小的功率，工作温度范围-40 ～130℃，但与光电元件组合时，转换效率低，使用寿命短。半导体发光器件，如砷化镓发光二极管可以在-60 ～100℃范围内工作，发射光的峰值波长为910 ～940 nm，接近硅光敏三极管的峰值波长，因此有较高的转换效率，同时也有较快的响应速度(约2 μs)。

图11-9 光栅传感器的结构

(a)透射式
1—光敏晶体管；2—框架；3—套筒；4—固定光栅；5—发光管；6—移动光栅；7—测量轴；8—测头
(b)反射式
1—零位参考脉冲；2—带光栅的钢尺；3—玻璃扫描分划板；4—外壳；5—灯泡；6—光学透镜；7—光电管；8—电子部件

(2)光栅副：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成，指示光栅比主光栅要短，两者相距为

式中，w 为栅距；λ 为有效光的波长。

主光栅和指示光栅互相重叠，但又不完全重合。两者栅线间错开一个很小角度θ，以便得到莫尔条纹。主光栅一般固定在被测体上，且随被测体移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。

(3)光电接收元件：是用来敏感随主光栅的移动而产生的莫尔条纹移动，从而测量位移量。在选择光电元件时，要考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性、体积和成本等因素。一般采用光电池和光敏三极管。硅光电池不需外加电压，受光面积大，性能稳定，但响应时间长，灵敏度较低。光敏三极管灵敏度高，响应时间短，但稳定性较差。(www.xing528.com)

2.莫尔条纹的形成及其特点

长光栅的莫尔条纹是指，栅距相同的主光栅和指示光栅，其刻线面相对重叠在一起，中间留有适当小间隙d，且两者栅线错开一个很小角度θ，则由于光的干涉效应就会产生和栅线接近于垂直的明暗相间的条纹，如图11-10 所示。在a—a 线上，两光栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b—b 线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹，且随主光栅相对指示光栅的左右移动而上下移动。莫尔条纹间距与栅距W、光栅夹角θ 的关系：

图11-10 长光栅的莫尔条纹工作原理

由于莫尔条纹的方向与光栅移动方向只相差θ /2，即近似与栅线方向相垂直，故称为横向莫尔条纹。横向莫尔条纹有如下重要特点：

(1)平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线形成的，对光栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差对测量精度的影响。

(2)放大作用。由于θ 角很小，从式(11-2)中看出光栅有放大作用。放大系数为

由于θ 可以很小，因而K 可达很大值。栅距W 很小，很难观测，而莫尔条纹却明显可见，因此便于观测。

(3)对应关系。两光栅沿与栅线垂直方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向移动。两光栅相对移动一个栅距w，莫尔条纹对应地移动一个条纹间距BH。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，可知主光栅的位移量。