计量光栅传感器

定义与分类

计量光栅传感器（又称光栅位移传感器）是利用光栅的莫尔条纹现象，以线位移和角位移为基本测试内容的光电器件。按应用范围分为透射光栅和反射光栅；按用途分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅；按表面结构分为幅值（黑白）光栅和相位（闪耀）光栅。其测量精度高、分辨力强（长光栅可达0.05μm，圆光栅可达0.1"），适合非接触式动态测量，但对环境有一定要求，灰尘、油污等会影响工作可靠性，且电路较复杂、成本较高。

光栅的结构

在一块长条形镀膜玻璃上均匀刻制许多明暗相间、等间距分布的细小条纹（刻线），即构成光栅。设a为栅线宽度（不透光），b为栅线间距（透光），则W=a+b称为光栅的栅距（光栅常数），通常a=b。常用光栅每毫米宽度上刻10、25、50、100、125、250条线。

莫尔条纹的形成与特点

将两块具有相同栅线宽度和栅距的长光栅叠合，中间留很小间隙，并使两者栅线之间形成很小夹角θ，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。栅线重合处透光面积最大，形成亮带；栅线错开处形成暗带。当a=b时，亮带间距与暗带间距相等，统称条纹间距BH。

莫尔条纹间距与栅距、夹角的关系为：

式中W为光栅栅距（单位：mm），θ为两光栅刻线夹角（单位：rad），BH为莫尔条纹间距（单位：mm）。θ越小，BH越大，BH相当于把W放大了1/θ倍，即光栅具有位移放大作用，可提高测量灵敏度。例如每毫米50条刻线的光栅，W=0.02mm，若θ=0.1°=0.001745rad，则BH≈11.46mm，相当于把栅距放大到约573倍，便于光电元件辨认。

光栅传感器的组成

光栅传感器由光源、透镜、光电接收元件及光栅副（主光栅和指示光栅）组成。典型光路为：光源发出的光经透镜后照射主光栅与指示光栅，衍射光再经透镜汇聚至光电元件。光源可采用半导体激光二极管；透镜采用非球面透镜，将点光源转换为平行光源，再将平行光重新汇聚为点光源；光电元件采用光敏二极管或光电池，用于测量光强，具有灵敏度高的特点。

光电转换与位移计算

当主光栅相对指示光栅移动时，莫尔条纹随之移动。光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距BH，光电元件接收到的光强按近似正弦规律变化，输出周期性电信号。输出信号每经过一个周期，光栅移动距离为W；记录脉冲数n，即可计算光栅移动距离x=nW。

辨向原理

为判别移动方向，需采用两相辨向。在莫尔条纹的一个周期内，放置两个相距BH/4的光电元件，或通过其他方式获得两路相位差90°的正弦信号u1和u2。u1、u2经整形放大后变为方波u1'和u2'。u1'经微分产生脉冲；u2'经反相、微分后产生脉冲。两路脉冲分别与另一路方波信号输入逻辑门Y1和Y2，根据脉冲时序输出方向判别信号。正向移动时，u1超前u2，电路输出特定脉冲序列；反向移动时，u2超前u1，输出序列相反。逻辑门输出控制触发器，触发器输出Q和Q非控制可逆计数器的加减方向，实现正向累加、反向从累加数中减去反向脉冲数，从而完成辨向与正反计数。

细分技术

提高分辨力的方法之一是在合适光栅栅距前提下，对栅距进行测微（电子学称“细分”），获得最小读数值。细分原理是：在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量从而提高分辨力。

直接细分（位置细分）

常用细分数为4。四细分利用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内产生4个计数脉冲。优点是对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，适用于静态和动态测量系统；缺点是光电元件安放困难，细分倍数不能太高。

电阻电桥细分法（矢量和法）

通过电阻电桥电路处理输入信号，利用矢量和法合成输出信号，最终用于触发施密特电路。电桥输出电压表达式为：

合成信号表达式为：

式中e1、e2为输入交流信号，R1、R2为电桥电阻，Usc为输出电压，A为幅值，θ为相位角，α为合成相位角。利用四个输入信号（Asinθ、Acosθ、-Asinθ、-Acosθ）与电阻网络组合，可产生多个相位依次递增的输出信号，例如10细分可产生10个相位依次递增36°的输出信号（从θ+0°到θ+324°）。

电阻链细分法（电阻分割法）

其实质是利用电阻衰减器进行细分。等电阻链细分电路包含放大电路和细分电路两部分。放大电路利用差分放大器处理输入信号（±sinθ、±cosθ），输出2sinθ和2cosθ，同时通过反相器输出-2sinθ。细分电路由R1至R10组成的电阻链，输入端为sinθ和-sinθ，中间节点接入cosθ，电阻链的10个节点分别连接至SM1至SM10，对应的角度输出依次为0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°、144°、162°。