位置细分技术原理及应用

利用光栅进行测量时，当运动零件移动一个栅距，输出一个周期的交变信号时，即产生一个脉冲间隔。每个脉冲间隔代表移过一个栅距，即分辨力或脉冲当量为一个栅距，例如每毫米250 条栅线的长光栅，栅距为4 μm，则其分辨力为4 μm，随着对测量精度要求的提高，分辨力为4 μm 是不够的，希望提高到1 μm、0.1 μm 或更高。当然可以采取减小栅距的方法来提高分辨力，但是进一步减小栅距要受到加工工艺的限制，因而需要采用细分技术。所谓“细分”就是在莫尔条纹变化一周期时，不是只输出一个脉冲，而是输出若干个等间距脉冲，以减小脉冲当量，从而提高分辨力。例如，莫尔条纹变化一周期时，不是输出一个脉冲数，而是输出四个脉冲数，则称为四细分。在采用四细分的情况下，栅距为4 μm的光栅，其分辨力可从4 μm 提高到1 μm。细分数越多，分辨力越高。常用的细分方法有：直接细分、电位器桥细分、电阻链细分、复合细分。下面以直接细分为例阐述其原理。

直接细分又称位置细分。直接细分常用的细分数为四，四细分可用四个依次相距BH/4的光电元件，这样可以获得依次相差π/2 相角的四个正弦交流信号。用鉴零器分别鉴取四个信号的零电平，即在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲，这样即在莫尔条纹的一个周期内将产生四个计数脉冲，因而实现了四细分。

四细分也可用相距BH/4 的位置上放两个光电元件来完成。两个光电元件输出两个相位差为π/2 的正弦交流信号u1 、u2 ，而u1 和u2 再分别通过各自的反相电路，从而得到u3 =- u1 、u4 =- u2 ，即可获得依次相差π/2 相角的四个正弦交流信号u1 、u2 、u3 、u4 。同上述，经电路处理也可在移动一个栅距过程中，得到四个等间隔计数脉冲，从而达到四细分的目的。

使用单个光电元件来进行细分时的波形和脉冲数如图11-15(a)所示，四细分时的波形和脉冲数如图11-15(b)所示。

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图11-15 细分与未细分的比较

(a)单个光电元件细分时波形和脉冲数；(b)四细分时波形和脉冲数

位置细分法的优点是对莫尔条纹信号波形无严格要求，电路简单，可用于静态、动态测量系统。其缺点是光电元件安放困难，细分数不能太高。

由位置细分的分析可见，细分的关键是在莫尔条纹一个周期内，能得到彼此相差同一相角的若干个正弦交流信号，通过电路处理，一个莫尔条纹周期就可得到若干个计数脉冲，从而达到细分目的。