光栅传感器中的主光栅、标尺光栅与指示光栅的作用

光栅式传感器（Grating Sensor）基于莫尔条纹（Moire Fringe）技术，主要用于对几何量、位移量的测量，在数控系统的位置检测中有广泛的应用。

（一）光栅的种类及结构

由等间距排列的透光和不透光的直线族或曲线族所构成的周期栅形光学器件，统称为光栅。按其工作原理可分为两种：物理光栅和计量光栅。

物理光栅：它是一种刻度细密、节距小、面积较宽（比如100mm×100mm）的锯齿形光栅（线纹密度一般为500～2000线/mm），它基于光的衍射理论，形成莫尔干涉条纹来测量的。常作为光学仪器中色散器件，用于光谱分析、波长测定等，其中一个典型运用是以单块光栅的衍射现象来进行各种物质的光谱线测量。光源发出的光经窄缝和聚光镜形成平行光照射在栅线上，经光栅衍射和干涉后分散为各种不同方向的光束，再经聚光镜2的聚光后，在屏上显示出光谱线。

计量光栅：它的刻线较物理光栅粗且短，栅距WW=0.02mm左右，刻线较稀。测量时主副光栅面对面以很小的夹角θθ重叠（两光栅之间保持有一定间隙，约0.1mm，以避免摩擦破坏光栅表面），利用产生的莫尔条纹信息来获得直线或角度位移。主光栅的大小不小于被测位移，是测量的基准，又称标尺光栅，与指示光栅组成光栅副，构成光栅传感器的核心，决定着整个光栅传感器的精度。

计量光栅有各种不同的分类方法，按照光栅线槽排列规律的不同分为长光栅和圆光栅；按材料构成分为玻璃光栅和金属光栅；按光路形式分为透射光栅和反射光栅。

1.长光栅

长光栅又称为光栅尺，常用于直线位移或长度的测量，光栅刻线沿着直线排列，图3-2所示为透射式长光栅的结构图，图3-3所示为其结构放大详图。光栅刻痕和狭缝的宽度分别为a、b，用W表示a、b之和，则W被称为栅距或光栅常数，通常a=b=W/2。刻痕密度一般为每毫米10、25、50、100条。如栅距W=0.02mm时，栅线密度为50线/毫米。

图3-2　透射长光栅

图3-3　光栅结构详图

2.圆光栅

刻画在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅，又称光栅盘，常用于测量角度或角位移。光栅刻线沿着圆周方向排列。圆光栅的参数多用整圆上刻线数或栅距角δ来表示，δ又称节距角，即相邻两栅线之间的夹角。

根据栅线刻画的方向，圆光栅可分为径向和切向圆光栅两类，如图3-4所示。其中图3-4a表示的是栅线全部通过光栅盘圆心的径向圆光栅，使用时需让两个光栅盘相互错开一个微小的偏心，以形成工作的莫尔条纹；图3-4b表示的切向圆光栅，它的所有栅线与一个和光栅盘同心的、直径只有零点几到几个毫米的小圆相切，产生的莫尔条纹为环形同心圆，适用于测量精度要求较高的场合。

由于圆的闭合特性，圆光栅的刻度误差在360°内的平均值总为零，特别是径向圆光栅：把两块径向圆光栅形成的环形莫尔条纹的一个整圆都汇集在一点作用到一个光电元件上，理论上其测量误差为零，即利用整圆的平均效应使两光栅盘的短、中、长周期误差以及偶然误差都被平均掉，此方法称为全积分法。圆光栅就是采用全积分法来提高测角精度的。

图3-4　圆光栅栅线方向

（二）莫尔条纹的产生

1.横向莫尔条纹

将等栅距的主副光栅纵向以夹角θ交叠时，在横向将产生间距为B的明暗相间的条纹，即莫尔条纹，如图3-5所示。在指示光栅2不动，主光栅1向右移动一个栅距W时，莫尔条纹则向下移动一个条纹间距B，亮区变成暗区，暗区变成亮区，其中，K=B/W≈1/θ称为莫尔条纹的放大系数，故有B=W/θ此为莫尔条纹的放大特性。因此，当θ角较小时，莫尔条纹的放大倍数很大，如θ=30'，K=115。这样，就可把肉眼看不见的光栅位移放大为清晰可见的莫尔条纹移动，将光栅的位移测量转换为莫尔条纹的移动测量，提高了测量灵敏度。同时，光源（发光器件）透过亮区，在光敏电池（受光器件）上将产生光电信号，光栅相对位移产生光电（脉冲）输出信号，通过计数此光电信号的脉冲数目则可得到两光栅的相对位移量。目前应用中的光栅传感器多用此种形式的莫尔条纹进行测量。

2.纵向莫尔条纹

把节距W1和W2很接近但又不相等的两光栅重叠在一起，保持其栅线彼此平行即夹角θ=0时，形成的莫尔条纹与光栅刻线平行，称为纵向莫尔条纹。如图3-6所示，这种莫尔条纹的形成原理与游标卡尺原理相同。当纵向莫尔条纹的节距W1和W2一定时，其条纹宽度B也是一定的。纵向莫尔条纹主要用于形成“光闸式”莫尔条纹，即在两光栅的重合处将看不到明暗相间的条纹，而在整个光栅的重合面上将会出现均匀一致的某一亮度，当两光栅相对位移时，将会出现由全亮逐渐到全暗，再由全暗逐渐到全亮的周期性渐变过程。

图3-5　莫尔条纹的形成

1—主光栅；2—指示光栅

图3-6　纵向莫尔条纹(www.xing528.com)

3.斜向莫尔条纹

如果使构成纵向莫尔条纹的两块光栅刻线保持一个很小的夹角θ，所得到的莫尔条纹将兼有纵向条纹和横向条纹的性质，称为斜向莫尔条纹，但其在实际应用中很少采用。

（三）光栅传感器的工作原理和特性

1.光栅传感器的结构

光栅传感器由光源、聚光镜、主光栅、指示光栅和光电接收器件组成。其中光源有单色光源和普通白光源两种，单色光源如激光、汞灯等，亦可用普通光源加滤光片得到，白光源选用白炽灯即可。聚光镜采用单个凸透镜将光源发出的光转换为平行光。主光栅与指示光栅面对面以很小且均匀的间隙重叠，构成了光栅副，是光栅传感器的核心。光电接收器件将光栅副形成的莫尔条纹的明暗强度变化转化为交流电信号输出。如需加大莫尔条纹的信号强度，则可在光栅副和光电接收器件之间增加一块聚光镜，使光电接收器件以较大的电流信号输出，提高了测量灵敏度。

光栅读数头是光栅位移的光电转换部件，它将光源、指示光栅、光电元件和前置放大器组装在一起构成的一个独立的部件。光源通过透镜垂直照射在主光栅上，经指示光栅形成莫尔条纹，再经光电元件（硅光电池）把莫尔条纹信号转变为电信号。使用时，多数情况是把标尺光栅固定在仪器或机床的床身或立柱上，即固定在不动部件上，而把光栅头安装在可动部件上。

2.光栅传感器测量位移原理

将主光栅与被测物体相连，当被测物体带动主光栅移动时，莫尔条纹跟着产生位移，利用光电器件记录透射光转换成的脉冲输出信号，通过计数此脉冲数目便可知主光栅移动的距离，即测出被测物体的位移量。根据莫尔条纹的特性，可用多个光敏器件对莫尔条纹信号进行内插细分，便可对比光栅距还要小的位移量进行测量。

如前所述的横向莫尔条纹产生原理，如果主光栅移动一个栅距，则莫尔条纹会上下移动一个条纹间距B。由于莫尔条纹的光强变化为正弦信号，如图3-7所示。光电器件的输出电压与位移之间关系为

式中，U0为输出信号的直流分量；Um为直流信号的幅值；x为光栅的位移量。

由式（3-1）可知，通过测量光电器件的输出电压，就可以测量主光栅的位移量x。

图3-7　光栅位移与光强输出电压的关系

3.光栅传感器的特性

首先，根据莫尔条纹的产生原理，光栅传感器可将被测位移放大为莫尔条纹的位移的作用；其次，由于莫尔条纹是由多条栅线交叠而共同形成的，平均效应使得个别栅线的栅距误差、断线或疵病对莫尔条纹影响很小，这就是对个别光栅的刻划误差的均化作用；再次，在理想情况下，光栅传感器输出的电压信号应为三角波形，如图3-8a所示。但实际上，由于存在光栅副间隙、光栅衍射效应、照明光源有一定宽度以及栅线质量等问题，输出的电压信号为近似的正弦波，如图3-8b所示，因此输出的正弦波原始信号的质量决定了后续的细分精度，其波条纹中叠加的高次谐波含量越小，正弦性越好，细分精度越高。

图3-8　莫尔条纹信号波形

（四）黑白光栅的制造方法

黑白光栅的制造方法有很多，最早用刀刻法，即利用刻线机的定位机构或分度机构控制光栅毛坯，用刻刀一条一条精确地刻制栅线。由于刀刃易磨损，后来改为在光栅表面先镀上一层金属，把蜡涂覆于金属表面，刀刻蜡后把线痕下的金属暴露出来，然后放在腐蚀液中去掉金属后得到栅线。但由于其效率低、加工周期长、精度易受外部环境影响，逐步被接触复印法取代，接触复印法是将母光栅与涂有感光胶膜的毛坯直接接触曝光后显影定形而得，只要有了母尺，就可大批量制造光栅。目前高精度光栅采用的是动态光刻法，它避免了接触复印法中母尺误差被复制到被刻尺上的缺陷：以光栅或激光定位匀速移动工作台，用高压氙灯、精缩物镜把母光栅栅线连续曝光在涂覆有感光膜的被加工尺上。这种加工不仅速度快，而且通过重复曝光和精缩物镜的平均效应提高了被加工尺的精度，使得被加工尺的精度可高于母尺精度。

（五）光栅传感器的应用实例

光栅传感器在高精度、高切削速度的数控机床上应用较多。一般将标尺光栅安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，指示光栅安装在计数头中，读数头固定在床身上。两光栅尺上的刻线密度均匀且相互平行放置，并保持一定的间隙（0.05mm或0.1mm），读数头与光栅尺尺身之间的间距为l～1.5mm。机床光栅测量系统如图3-9所示，主要由光栅传感器、光栅信号放大及整形电路、莫尔条纹信号辨向及细分电路、计数及数显系统组成。由光栅传感器产生0与π（即a与c），π/2与3π/2（即b与c）两组信号，分别经过差动放大与整形器整形后，输出脉冲信号，经过门电路四倍频及辨向后，输出正向或反向脉冲信号，双向十进制计数器可对此脉冲信号进行增或减计数，再经过译码电路译码后利用数码管或液晶屏幕显示计数值。光栅传感器测量的实际位移信号可反馈给数控机床的控制系统，进行高精度的闭环控制，得出进给指令。

图3-9　机床光栅测量系统

光栅传感器安装后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，损坏光栅尺。在选择光栅传感器时，要根据数控机床的精度、运动速度，光栅尺的信号周期、细分数，机械安装结构以及成本等因素进行综合考虑，使数控机床有合适的分辨率，而不能片面追求高精确度的光栅尺。