光栅传感器的测量原理详解

1.利用莫尔纹测量位移的原理

以黑白透射光栅传感器来说明其测量位移的原理，在图9.1-2的位置Ⅰ处，两块光栅的栅线彼此完全遮光，光通量为零；在位置Ⅱ处，两块光栅的棚线彼此不再遮光，光通量最大。如果不考虑光栅的衍射作用，而且假设两块光栅接触迭合，设它们的栅距相等，缝宽和线宽亦相等，则根据简单的遮光原理，此时光通过两块光栅后的光能量分布将是一个三角波，见图9.1-8（a）。但实际中，光栅有衍射作用，而且为了避免两块光栅尺在作相对运动时的擦碰，两块光栅尺之间必须有适当的间隙。此外，照明光源有一定宽度，两块光栅尺的缝宽和线宽不严格相等，由于这些原因，实际的光能量分布将是一个近似的正弦波，如图9.1-8（b）中所示。当两块光栅相对移动时，光电元件将接受莫尔条纹的变化，感受从全暗逐渐到全亮的周期性过程。光电元件把接受到的光强变化转化为电信号输出，图9.1-8（b）中u代表光电元件两端电压，x代表光栅的位移。输出电压与位移的关系为

式中 U0——直流电压分量；

　　 d——栅距；

　　 x——位移。

图9.1-8　光栅位移与光电元件输出

光栅移动一个栅距d，莫尔条纹走过一个纹间距w，输出电压u正好是一个周期。经过电路整形后，可以得到代表周期性变化的脉冲量，脉冲数与莫尔纹条纹数相对应，因此可以得到位移量与脉冲数的关系为

式中 N——莫尔条纹数。(www.xing528.com)

2.辨向原理

从上述分析可以看出，单一光电接受元件只能反映出莫尔条纹的明暗变化，而不能判别光栅的移动方向。这是因为无论光栅是正向移动，还是反向移动，单一光电接受元件输出相同的正弦波。为了能够分辨光栅的移动方向，通常至少需要使用两个光电接受元件，经过辨向电路的处理，在得到脉冲数的同时也可以得到方向信号。辨向原理是：

设置两个以上光电接受元件，它们相距w/4的距离，以得到两个相位差90°的正弦信号，如图9.1-9所示，然后把它送到辨向电路中去处理，见图9.1-10。

图9.1-9　相距w/4的两个光电元件

图9.1-10　辨向电路原理框图

当主光栅正向移动（左移）时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件1的输出电压波形和光电元件2的输出电压波形如图9.1-11（a）所示，显然u1超前u2为90°相角。u1、u2经整形放大后得到两个方波信号u′1、u′2，u′1仍超前u′290°。u″1是u′1反相后得到的方波。d1和d2是u′1和u″1两个方波经微分电路后得到的脉冲波形。由图可见，对于与门1，由于d1处于高电平时，u′2也是高电平，因而D1有输出脉冲；对于与门2，d2处于高电平时，u′2总是处于低电平，因而与门的信号输出D2为零。在正向位移时，D1有信号而D2为零，通过触发器控制计数器作加法计数。如果光栅做反向位移，由图9.1-11（b）可知，u2超前u190°相角。D1为零而D2有脉冲信号，此时经触发器控制可逆计数计数器作减法计数。无论光栅是正向位移还是反向位移，D1和D2信号都可以通过或门进入计数器。总之，正向位移时，脉冲数累加；反向移动时，便从累计的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就能够辨向，因而可以进行正确的测量。

图9.1-11　光栅正向和反向移动时各点波形

（a）正向时各点波形；（b）反向时各点波形