光栅读数头

定义与在计量光栅中的位置

计量光栅由光电转换装置（光栅读数头）和光栅数显表两部分组成。光栅读数头是其中的光电转换装置，其功能是利用光栅原理把输入量（位移量）转换成电信号，即完成非电量到电量的转换。

计量光栅中涉及三类信号：输入的非电量信号（位移量）、光媒介信号和输出的电量信号。读数头承担的是“位移量→光强变化→电信号”这一调制与转换过程。

基本组成

光栅读数头主要由以下部分构成：

• 光源：提供照明光束。
• 透镜（光学系统）：将点光源发出的光变为平行光，照射光栅副；在接收端再把平行光汇聚到光电元件上。
• 光栅副：由主光栅和指示光栅组成。主光栅用于确定测量范围，与运动部件连在一起，其大小与测量范围一致；指示光栅较短、固定不动，用于检取信号（读数）。
• 光电元件：接收莫尔条纹移动时的光强变化，把光信号转换为电信号。

主光栅与指示光栅之间需留有间隙，以免发生摩擦。该间隙的取值与光路所采用的扫描方式有关：在采用衍射干涉扫描（自成像照明）的结构中，间隙量级可由

给出，式中 $W$ 为光栅栅距（单位与 $d$ 相同，常用 $\mu \mathrm{m}$），$\lambda$ 为有效光波长（单位同 $d$），$d$ 为两光栅间距。该式并非任意光栅副间隙的普遍确定式；对于成像扫描等其它扫描方式，间隙由相应扫描结构的光学条件决定，不能仅由不摩擦要求确定。

光电转换原理

莫尔条纹是明暗相间的带，光强按“最暗→渐亮→最亮→渐暗→最暗”变化：两光栅刻线重叠时透光最多，为最亮区；刻线遮去一半光线时为半亮区；两光栅刻线正好全部遮住光线时为最暗区。主光栅每移动一个栅距 $W$，光强变化一个周期。

用光电元件接收这一光强变化，即可把光信号转换为电信号。理想情况下遮光作用与光栅位移成线性关系，光通量在一个周期内呈“V”形；实际由于两光栅间存在间隙、衍射以及刻线边缘毛糙不平和弯曲等因素，输出波形是在“V”形基础上被削顶和削底的结果，近似为正弦周期信号，其电压输出可近似用正弦信号形式表示。

莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对刻线本身的刻划误差有平均作用。设光电元件能接收到对应信号的光栅刻线条数为 $n$，则光电元件输出是这 $n$ 条刻线共同对光调制结果的总和；单条刻线的位置偏差对输出的影响被按比例缩小。因此莫尔条纹的误差平均效应使应用中对光栅质量的要求可以降低，这对高精度测量有利。

透射式光路

透射式光路适用于粗栅距的黑白透射光栅，具有结构简单、位置紧凑、调整使用方便、应用广泛的特点。其光路按光轴方向依次为：光源发出的光经准直透镜变为平行光，依次穿过主光栅和指示光栅，最后由光电元件接收。主光栅可沿垂直于光轴方向移动，从而产生莫尔条纹的移动。

反射式光路

反射式光路适用于黑白反射光栅。其组成包括：反射主光栅、指示光栅、场镜、反射镜、聚光镜、光源、物镜、光电电池。光路为：光源发出的光经聚光镜和反射镜投射到反射主光栅上，反射光穿过场镜和指示光栅，再经物镜聚焦到光电电池上。

光源与光电元件的配合

光源可选钨丝灯或半导体发光器件。钨丝灯输出功率大、工作范围宽（$-40{}^{\circ }\mathrm{C}$ 到 $+130{}^{\circ }\mathrm{C}$），但与光电元件组合转换效率低，且在机械振动和冲击下寿命降低；半导体发光器件转换效率高、响应时间快。

光电元件主要包括光电池和光敏三极管（课件另处也提到光敏二极管、光电池用于测量光强，灵敏度高）。采用固态光源时，需选用敏感波长与光源接近的光敏元件以提高转换效率；光电元件输出端常接放大器，以获得足够的信号输出并防止干扰。