光栅传感器

4．6．3　光栅传感器

光栅是由很多间距相等的透光缝隙和不透光的刻线构成。常用的有物理光栅和计量光栅。这里只介绍计量光栅的原理和应用。

计量光栅又分长光栅和圆光栅两种。它们分别能把位移和角位移转变为数字信号，其分辨率取决于光栅刻线的密度。光栅刻线越密，对位移、角位移的分辨率越强。目前，常用的长光栅每毫米有10、25、50或100条刻线，圆光栅在整个圆周上通常刻有2 700、5 400、10 800、21 600或32 400条刻线。如果采用光、电、机械等细分技术，还可以进一步提高光栅的分辨力，因此光栅作为精密传感器，在位移、角位移、速度、转速的高精度测量中得到了广泛应用。

1）计量光栅的工作原理

计量光栅的工作原理基于莫尔条纹现象。现以长光栅为例说明莫尔条纹的形成原理。长光栅如图4．22所示。其中，a为不透光刻线宽，b为透光缝隙宽，w＝a＋b称为光栅的节距或栅距。通常a＝b＝w／2，两块具有相同栅距的长光栅，以一小的夹角θ重合在一起，如图4．23所示。在c -c线上两块光栅透光缝隙正好重合，透光面积最大，当光线照射时形成亮带；在d－d线上两块光栅的透光缝隙正好错开，形成暗带。在光栅刻线方向上（即y方向），形成一系列明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。

图4．22　长光栅示意图

莫尔条纹的形成有它的条件和特点：

（1）莫尔条纹形成的必要条件

形成莫尔条纹必须有两块光栅，一块光栅不能形成莫尔条纹。不过两块光栅可以不一样大，一块必须覆盖整个测量范围，随测量体移动，称为主光栅；另一块只要在一定区域内形成莫尔条纹，可较小且静止，称为指示光栅。

图4．23　莫尔条纹的形成原理

（2）对信号的放大作用

如果用单光栅与光电元件配合工作，由于光电元件的感光部分受制作工艺的限制，使光栅尺寸不能太小，否则光电元件无法分辨由单个光栅缝隙传来的微小位移信号，用双光栅形成的莫尔条纹却能将光栅的微小位移放大成莫尔亮条纹的较大移动。只要记录莫尔亮条纹的移动数，就能得知光栅移动的微小量。这便是莫尔条纹的放大作用。它的放大倍数可根据以下关系求出。

如图4．23所示，由于角度θ很小，可以认为莫尔条纹和光栅刻线是垂直的，因此莫尔条纹亮条宽度B为：

当光栅沿着两轴方向移动一个光栅节距w时，莫尔条纹则沿y方向移动一个条纹宽度B，因此莫尔条纹对信号的放大倍数K为：

式（4．37）中θ为可调节量，调节θ的大小，便可调节放大倍数K0也可随意调节亮条宽度B，只要调节到使B大于光电元件感光部分的尺寸，就能保证光电元件分辨出光栅节距w大小的微小位移。莫尔条纹对信号的放大作用是光栅测量系统中最重要的特性。

（3）误差的平均作用

由于光电元件有一定大小，当它进入亮带时，虽然调节θ能把邻近亮带移开，使每一时刻最多只有一条亮带作用于光敏元件，但是，在同一带中，不止一根光栅刻线参加工作。如果光栅节距w＝0．02mm，硅光电池宽为10mm，光栅上同时参加工作的刻线则为500条，硅光电池的总输出是500条刻线共同输出的总和，这便大大削弱了单根刻线不匀或其他因素带来的误差，使光栅输出的准确度大为提高，保证了输出波形的稳定性和对称性。

（4）莫尔条纹的移动方向

从图4．23可知，莫尔条纹移动的方向基本上与光栅移动的方向垂直。当光栅在x方向移动时，莫尔条纹在y方向移动，故光敏元件必须安置在y轴上，而不能安置在x轴上，这点务必注意。显然，莫尔条纹的移动还具有正、负方向性，当主光栅向右移动时，莫尔条纹亮带向下移动；当主光栅向左移动时，莫尔条纹亮带向上移动。

（5）莫尔条纹的亮度变化

莫尔条纹的亮度变化近似为正弦脉动。当光栅相对位移一个栅距时，某一点的莫尔条纹亮度从亮变暗又变亮，也相应变化一个周期，从理论上讲，这种变化应是三角函数。但是由于两光栅重叠时有一定距离，以及制造工艺等因素，使理想的三角波削顶和削底变为有直流分量的正弦脉动波。此正弦脉动波提供了一个稳定的相位关系，为辨别位移的正、反方向和细分创造了一个非常有利的条件。

圆光栅的莫尔条纹和长光栅的莫尔条纹略有不同。当两块直径相同且栅距相同的圆光栅偏心地放置在一起时，栅线交点的连线就形成莫尔亮条纹。从图4．24可以看到这些条纹是一些半径不同的通过O′_O的圆，这些圆对y轴和x轴都对称。当光栅o′绕圆心O作顺时针转动时，莫尔条纹的亮带将向外方向移动，反之亮条则向内方向移动。若将光电元件安置在y轴上，记录亮带移动的根数就能知道圆光栅o′转过的角度。

图4．24　回光栅的莫尔条纹

从图中还可看出，改变偏心距。能改变莫尔条纹的宽度B，因此圆光栅同样有放大作用。

2）光栅传感器的基本结构

光栅传感器由光源结构、透镜、主光栅、指示光栅和光电敏感元件所组成，如图4．25所示。

1—光敏元件；2—狭缝；3—主光栅4—指示光栅；5—透镜；6—光源

图4．25　光栅传感器的结构

光源发出的光线经过透镜变成平行光，照射在光栅上，形成莫尔条纹。这些条纹聚焦在光电敏感元件上，由它转变成电信号。当主光栅移动时，莫尔条纹的亮度成正弦脉动函数变化，因此，光电敏感元件输出的电信号也是正弦脉动函数。在这里需要指出的是，由于光的亮度没有负值，因此，光电敏感元件输出的电信号不会是交变的正弦波，而是有直流成分的正弦脉动波形（见图4．26）。在后续电子电路中，应用差动放大的办法可将直流成分抵消。

3）辫向和计数线路

在实际应用中，常常要确定物体的绝对位置，这就要求知道物体的运动方向。当物体向前运动时，作加法计数；当物体向后运动时，则作减法计数。因此，光栅传感器应有分辨运动方向的能力。为了做到这一点，可以利用莫尔条纹有稳定相位关系这一特点，在莫尔条纹的O处和（1／4）B处安放两个光电元件。这时，它们输出的交流信号部分相位相差90°，为了消除其直流成分，在2B／4和3B／4处再放置两个光电元件，依次把它们称为元件1，2，3，4（见图4．27）。元件1和元件3的输出信号有直流信号相等、交流信号相位相差180°的特点，将它们输入差动放大器进行相减，直流成分正好抵消，交流成分则相加，得到一个纯交流的信号u₁′。同样道理，将元件2和4的信号输入差动放大器进行相减，得到另一个交流信号u₂′，这两个正弦信号相位相差90°。当光栅正向运动时，u₁′超前u₂′相位90°；光栅反向运动时u₂′超前u₁′相位90°。利用这一特点，可构成图4．28所示的辨向可逆计数电路。

图4．26　光栅传感器输出的电信号

图4．27　光电元件的安放和波形

图4．28　辨向可逆计数电路

该电路的工作原理是：将正弦信号u₁′和u₂′放大整形得到方波u_A和u_B。由u_A反相微分后得u_C，由u_A直接微分得u_D。以u_C和u_D为计数脉冲，u_B为控制脉冲，分别控制与门G1和G2，使光栅前进时，开放门G1，进行加法计数；光栅后退时，开放门G2，进行减法计数。各点的波形如图4．29所示。

图4．29　辨向可逆计数电路各点波形

图4．30　圆光栅光电元件的放置

在圆光栅中，4个光电元件固然能按以上描述的方法放置，但是为了进一步对消主光栅轴系装配时偏心的影响，常按图4．30所示方式放置。

图4．31　四倍频细分电路

4）细分技术

为了提高测量准确度，必须提高光栅的刻线密度，但是，在光栅刻线密度提高到一定程度后，再提高刻线密度就很困难。为此常采用细分技术。所谓细分技术，就是用电子、光学或机械的办法，在一个栅距范围内，输出几个等距脉冲。这里介绍一种四倍频细分辨向电路的基本原理，由于其简单实用，被广泛采用。

图4．31为四倍频细分辨向计数电路原理图。图中，A和B两点的电压分别为方波u_A和u_B，将u_A和u_B分别进行反相得到u_C和uD，即在一个信号周期内得到4个方波信号。再将u_A，u_B，u_C，u_D这4个脉冲信号进行微分，得到4个脉冲信号u_A′，u_B′，u_C′，u_D′，将4个方波信号与4个脉冲进行逻辑组合输出（如图4．32所示）。当光栅正向运动时，通过与门G1～G4及或门V1，得到4个信号B′C＋AB′＋AD′＋C′D，而反向运动时，通过与门G5～G8及或门V2，得到4个脉冲BC′＋AB′＋A′D＋C′D对应波形如图4．32所示。这样，对应光栅位移一个栅距w，莫尔条纹移动一个宽度B，光电信号输出了4个等距脉冲，并能自动辨向，使分辨力提高4倍。

图4．32　四倍频细分电路波形