光柵數(shù)字傳感器的工作原理

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(duì)刻線密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對(duì)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(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)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
　　　　　　　?。?2.1.1）
　?。?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(duì)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(duì)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(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測(cè)量光柵移動(dòng)的大小和方向，這要比直接對(duì)光柵進(jìn)行測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測(cè)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?chǔ)鹊拇笮?lái)調(diào)節(jié)莫爾條紋的間距，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了方便。
當(dāng)兩光柵的相對(duì)移動(dòng)方向不變時(shí)，改變?chǔ)鹊姆较?，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(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，為了測(cè)量莫爾條紋的位移，必須通過(guò)光電器件（如硅光電池等）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
在光柵的適當(dāng)位置放置光電器件，當(dāng)兩光柵作相對(duì)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(guò)的光強(qiáng)最大，光電器件輸出的電信號(hào)也最大；在c位置由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??；位置d的光被完全遮去而成全黑，光強(qiáng)最??；若光柵繼續(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(hào)中的直流分量；
——輸出信號(hào)中的交流分量幅值；
x——兩光柵的相對(duì)位移。

通過(guò)整形電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號(hào)，則每經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng)，因此光柵的位移為
（12.1.4）