光栅传感器的原理与应用技巧

1.光栅的类型和结构

光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用手位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1µm。另外，计量光栅的脉冲读数速率可达每毫秒几百次之高，非常适用于动态测量。

计量光栅可分为透射式光栅和反射本光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区，如图6-9所示；反射式光栅一般使用不锈钢作基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区，如图6-9b所示。

图6-9 计量光栅的种类

a）透射式光栅 b）反射式光栅 1—光源 2—透镜 3—指示光栅 4—标尺光栅 5—光敏元件

计量光栅按形状可分为长光栅和圆光栅。长光栅用于直线位移测量，故又称直线光栅；圆光栅用于角位移测量，两者工作原理基本相似。图6-10所示为直线光栅外观及内部结构剖面示意图，图6-11所示为直线透射式光栅测量示意图。

图6-10 直线光栅外观及内部结构剖面示意图

a）外观图 b）剖面图 1—铝合金外壳尺身 2—带聚光镜的LED 3—标尺光栅 4—指示光栅 5—装有光敏元件的游标 6—密封唇 7—读数头 8—信号处理电路 9—电缆

图6-11 直线透射式光栅测量示意图

1—光源 2—透镜 3—指示光栅 4—标尺光栅 5—零位光栅 6—光敏元件

计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，所以计量光栅又称光栅副。标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，雨指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动。在圆光栅中，指示光栅通常固定不动，雨标尺光栅随轴转动。

在图6-11中，a为栅线宽度，b为栅缝宽度，W=a+b称为光栅常数，或称栅距。通常a=b=W/2，栅线密度一般为10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm和20线/mm等几种。

对于圆光栅来说，两条相邻刻线的中心线之夹角称为角节距，每周的栅线数从较低精层的100线到高精度等级的2160线不等。

无论长光栅或圆光栅，由于刻线很密，如果不进行光学放大，则不能直接用光敏元件来测量光栅移动所引起的光强变化，必须采用以下论述的莫尔条纹来放大栅距。

2.光栅的工作原理

在透射式直线光栅中，把两光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，如图6-12中a-a中线所示；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图6-12中b-b线所示。

图6-12 等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹（θ≠0）

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图6-13 光栅位移与光强及输出电压的关系

这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置（如图6-10中的sin或cos位置）安装光敏元件。

当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带（a-a线和b-b线）将顺序自下而上（图中的y方向）不断地掠过光敏元件。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，如图6-13所示。

莫尔条纹有如下特征：

1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。

2）当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图6-12中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。

3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，所以其关系可用下式表示

L=W/sinθ≈W/θ （6-7）式中L为莫尔条纹间距；W为光栅栅距；θ为两光栅刻线夹角，必须以弧度（rad）为单位，式（6-7）才能成立。

从式（6-5）可知，θ越小，L越大，相当于把微小的栅距扩大了1/θ倍。由此可见计量光栅起到光学放大器的作用。例如，对25线/mm长光栅而言，W=0.04mm，若θ=0.016rad，则L=2.5mm。计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。

4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时若光栅移动了xmm（也就是移过了100x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。

3.光栅传感器的应用

由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达数十米，而且不需接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广，但必须注意防尘防震问题。近年来我国设计、制造了很多光栅式测量长度和角度的计量仪器，并成功地将光栅作为数控机床的位置检测元件，用于精密机床和仪器的精密定位、长度检测、速度、振动和爬行的测量等。

图6-14所示为光栅数显表在机床进给运动中的应用。

在机床操作过程中，由于用数字显示方式代替了传统的标尺刻度读数，大大提高了加工精度和加工效率。以横向给进为例，光栅读数头固定在工作台上，尺身固定在床鞍上，当工作台作沿着床鞍左右运动时，工作台移动的位移量（相对值/绝对值）可通过数字显示装置显示出来。同理，床鞍前后移动的位移量可按同样的方法来处理。

图6-15所示为微机光栅数显表的组成框图。在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分可由微机来完成。

图6-14 数显表在机床给进运动中的应用

1—横向给进位置光栅检测 2—纵向给进位置光栅检测 3—数字显示装置

图6-15 微机光栅数显表的组成框图