光栅传感器的组成及原理探析

光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成相应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。

1.光栅读数头

光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构示意图如图10-13所示。

前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图10-14可看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距w，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即

式中 u_o——光电元件输出的电压信号；

U_o——输出信号中的平均直流分量；

U_m——输出信号中正弦交流分量的幅值。

可见，输出电压反映了位移量的大小。

图10-13 光栅读数头结构示意图

1—光源 2—透镜 3—标尺光栅

4—指示光栅 5—光电元件

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图10-14 光栅位移与光强、输出电压的关系

2.光栅数显表

光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表做进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。

（1）辨向原理

采用图10-13中一个光电元件的光栅读数头，无论主光栅做正向还是反向移动，莫尔条纹都做明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。图10-15所示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔B_H/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u₁和u₂（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u′₁和u′₂。

图10-15 辨向逻辑工作原理

1、2—光电元件 3、4—光栅 A（）—光栅移动方向 B（）—莫尔条纹移动方向

从图10-15中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u′₁经微分电路后产生的脉冲正好发生在u′₂的1电平时，从而经Y₁输出一个计数脉冲；而u′₁经反相并微分后产生的脉冲，则与u′₂的0电平相遇，与门Y₂被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，u′₁的微分脉冲发生在u′₂为0电平时，与门Y₁无脉冲输出；而u′₁的反相微分脉冲则发生在u′₂的1电平时，与门Y₂输出一个计数脉冲，则说明u′₂的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u′₁所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。

（2）细分技术

由前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法，这种细分法也是许多其他细分法的基础。

在上述辨向原理中可知，在相差B_H/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差B_H/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。