光柵數(shù)字傳感器

光柵的類型和結(jié)構(gòu)

　　光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光電器件。按照工作原理，光柵可分為物理光柵和計(jì)量光柵，物理光柵基于光柵的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析和光波長等測量；計(jì)量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行測量的器件，常用于位移的精密測量。
　　按用途和結(jié)構(gòu)形式，計(jì)量光柵又可分為測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，透射光柵是在透明光學(xué)玻璃上均勻刻制出平行等間距的條紋形成的，而反射光柵則是在不透光的金屬載體上刻制出等間距的條紋所形成。本節(jié)主要討論透射式計(jì)量光柵。
　　透射光柵的結(jié)構(gòu)如圖12.1.1所示，a為刻線（不透光）寬度，b為縫隙（透光）寬度， W = a+b稱為光柵的柵距，一般a=b，也可做成a:b=1.1:0.9。常用的透射光柵的刻線密度一般為每毫米10、25、50、100、250條線，刻線的密度由測量精度決定。

圖12.1.1 透射光柵

光柵數(shù)字傳感器的工作原理

　　光柵數(shù)字傳感器，通常由光源5(聚光鏡4)、計(jì)量光柵、光電器件3及測量電路等部分組成，如圖12.1.2所示。計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵1（主光柵）和指示光柵2組成，因此計(jì)量光柵又稱光柵副，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的測量精度。一般主光柵和指示光柵的刻線密度相同，但主光柵要比指示光柵長得多。測量時(shí)主光柵與被測對象連在一起，并隨其運(yùn)動(dòng)，指示光柵固定不動(dòng)，因此主光柵的有效長度決定了傳感器的測量范圍。

1.莫爾條紋
　　將主光柵與標(biāo)尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個(gè)微小的夾角θ，如圖12.1.3所示。當(dāng)有光源照射時(shí)，由于擋光效應(yīng)（對刻線密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對刻線密度≥100條/mm的光柵），與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開的地方，形成暗帶；這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ（單位為rad）之間的關(guān)系為
　　　　　　　　（12.1.1）
　?。?2.1.2）

K­稱為放大倍數(shù)。
莫爾條紋有如下幾個(gè)重要特性：
（1）莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)與光柵的運(yùn)動(dòng)一一對應(yīng)
　　當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動(dòng)；光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋也反向移動(dòng)。主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測量光柵移動(dòng)的大小和方向，這要比直接對光柵進(jìn)行測量容易得多。
（2）莫爾條紋具有位移放大作用
　　當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線夾角θ較小時(shí)，由式（12.1.1）可知，W一定時(shí)，θ愈小，則B愈大，相當(dāng)于把柵距W放大了1/ θ倍。例如，對50條/mm的光柵，W=0.02mm，若取，則莫爾條紋間距，K=573，相當(dāng)于將柵距放大了573倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測量。
（3）莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)
　　莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對刻線誤差具有平均效應(yīng)，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。
（4）莫爾條紋的間距S隨光柵刻線夾角θ變化
　　由于光柵刻線夾角θ可以調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)需要改變θ的大小來調(diào)節(jié)莫爾條紋的間距，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了方便。
當(dāng)兩光柵的相對移動(dòng)方向不變時(shí)，改變θ的方向，則莫爾條紋的移動(dòng)方向改變。
2．光電轉(zhuǎn)換
　　主光柵和指示光柵的相對位移產(chǎn)生了莫爾條紋，為了測量莫爾條紋的位移，必須通過光電器件（如硅光電池等）將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
在光柵的適當(dāng)位置放置光電器件，當(dāng)兩光柵作相對移動(dòng)時(shí)，光電器件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)，光強(qiáng)變化為正弦曲線，如圖12.1.4所示。在a位置，兩個(gè)光柵刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電器件輸出的電信號也最大；在c位置由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)最?。蝗艄鈻爬^續(xù)移動(dòng)，透射到光電器件上的光強(qiáng)又逐漸增大。光電器件上的光強(qiáng)變化近似于正弦曲線，光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。光電器件的輸出電壓可用公式表示為
（12.1.3）
式中——輸出信號中的直流分量；
——輸出信號中的交流分量幅值；
x——兩光柵的相對位移。

通過整形電路，將正弦信號轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號，則每經(jīng)過一個(gè)周期輸出一個(gè)方波脈沖，這樣脈沖總數(shù)N就與光柵移動(dòng)的柵距數(shù)相對應(yīng)，因此光柵的位移為
（12.1.4）

辨向與細(xì)分電路

1.辨向電路
　　無論測量直線位移還是測量角位移，都必須能夠根據(jù)傳感器的輸出信號判別移動(dòng)的方向，即判斷是正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
　　但是，僅有一個(gè)光電元件的輸出無法判別光柵的移動(dòng)方向，因?yàn)樵谝稽c(diǎn)觀察時(shí)，不論主光柵向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，莫爾條紋均作明暗交替變化。為了辨別方向，通常采用在相隔1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，獲得相位差為90o的兩個(gè)信號，然后送到如圖12.1.5所示的辨向電路進(jìn)行處理。

　　假設(shè)當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，兩個(gè)光電元件分別輸出電壓信號U1和U2，如圖12.1.6（a），經(jīng)過放大、整形，得到兩個(gè)相位差為的方波信號和。經(jīng)反相后得到，、經(jīng)過微分電路后得到兩組電脈沖、，分別輸入到與門、。對于與門Y1，由于處于高電平時(shí)，總是為低電平，故脈沖被阻塞，Y1輸出為零；對于與門Y2，處于高電平時(shí)，也為高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置1，可逆計(jì)數(shù)器對與門Y`輸出的脈沖進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。同理，當(dāng)標(biāo)尺光柵向右移動(dòng)時(shí)，輸出信號波形如圖12.1.6（b）所示，與門Y2被阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置0，可逆計(jì)數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，辨向電路只輸出一個(gè)脈沖。計(jì)數(shù)器所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)即代表光柵的位移。
2.細(xì)分電路
　　光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個(gè)柵距。但是，在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)：1）增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2）采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)輸出均勻分布的n個(gè)脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，使分辨力提高到。
　　細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號細(xì)分、軟件細(xì)分等。下面介紹常用的直接細(xì)分方法。

直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用細(xì)分?jǐn)?shù)為4，因此也稱為四倍頻細(xì)分。圖12.1.7給出了一種四倍頻細(xì)分電路及其波形。在上述辨向電路的基礎(chǔ)上，將獲得的兩個(gè)相位相差90o的正弦信號分別整形和反相，就可得到4個(gè)相位依次為0°(S)、90o(C)、180o()、270o()的方波信號，經(jīng)RC微分電路后就可在光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，得到均勻分布的4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，再送到可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法或減法計(jì)數(shù)，這樣可將分辯率提高4倍。

　　　　　　　　　　　　　圖12.1.7 四倍頻細(xì)分電路及波形　

　　四倍頻細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，對莫爾條紋信號的波形無嚴(yán)格要求，其缺點(diǎn)是細(xì)分?jǐn)?shù)不高。采用電橋細(xì)分、調(diào)制信號細(xì)分、鎖相細(xì)分等可有效提高細(xì)分?jǐn)?shù)，有關(guān)細(xì)分電路請參閱其他資料。

光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用

　　光柵數(shù)字傳感器具有測量精度高，分辨率高，測量范圍大，動(dòng)態(tài)特性好，適合于非接觸式動(dòng)態(tài)測量，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測量設(shè)備中。但是光柵在工業(yè)現(xiàn)場使用時(shí)，對工作環(huán)境要求較高，不能承受大的沖擊和振動(dòng)，要求密封，以防止塵埃、油污和鐵屑等的污染，成本較高。
　　圖12.1.8所示為光柵數(shù)字傳感器用于數(shù)控機(jī)床的位置檢測和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。由控制系統(tǒng)生成的位置指令Pc控制工作臺移動(dòng)。工作臺移動(dòng)過程中，光柵數(shù)字傳感器不斷檢測工作臺的實(shí)際位置，并進(jìn)行反饋（與位置指令Pc比較），形成位置偏差Pe（Pe＝－Pc）。當(dāng)＝Pc時(shí)，則P＝0，表示工作臺已到達(dá)指令位置，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，工作臺準(zhǔn)確地停在指令位置上。