光栅原理及检测电路设计

在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置，将机械位移转换为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环控制。由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大的提高，现在光栅精度可达微米级，再通过细分电路可以做到0.1 μm甚至更高的分辨率。

1.光栅的种类

根据形状，光栅可分为圆光栅和长光栅。长光栅主要用于测量直线位移，圆光栅主要用于测量角位移。

根据光线在光栅中是反射还是透射，可将光栅分为透射光栅和反射光栅。透射光栅的基体为光学玻璃，光源可以垂直射入，光电元件直接接受光照，信号幅值大。光栅每毫米中的线纹多，可达200线/mm（0.005 mm），精度高。但是由于玻璃易碎，热膨胀系数与机床的金属部件不一致，影响精度，所以透射光栅不能做得太长。反射光栅的基体为不锈钢带（通过照相、腐蚀、刻线），反射光栅和机床金属部件一致，可以做得很长。但是反射光栅每毫米内的线纹不能太多。线纹密度一般为25～50线/mm。

2.光栅的结构和工作原理

光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床的活动部件上，如工作台。光栅读数头装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。标尺光栅和指示光栅的平行度及二者之间的间隙（0.05～0.1 mm）要严格保证。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。

光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。图7-29所示为光栅读数头，由光源、聚光镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路等组成。

当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度θ放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅的线纹几乎成垂直方向排列，如图7-30所示。

图7-29　光栅读数头

1—光源；2—聚光镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；5—光敏元件；6—驱动电路

图7-30　光栅的莫尔条纹

莫尔条纹的特点如下。

（1）当用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到光带的透过光强度近似于正（余）弦函数。

（2）起放大作用。用W表示莫尔条纹的宽度，P表示栅距，θ表示光栅线纹之间的夹角，则(www.xing528.com)

由于θ很小，故sinθ≈θ，即

（3）起平均误差作用。莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，这样栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。

（4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉条纹移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度W，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离即可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹的变化代替。

3.光栅的辨向原理

莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大、整形后，形成脉冲，可以作为计数脉冲，直接输入到计算机系统的计数器中计算脉冲数，进行显示和处理。根据脉冲的个数可以确定位移量，根据脉冲的频率可以确定位移速度。

图7-31　光栅的辨向原理

用一个光电传感器只能进行计数，不能辨向。要进行辨向，至少用两个光电传感器。图7-31所示为光栅的辨向原理。通过两个狭缝S1和S2的光束分别被两个光电传感器P1、P2接收。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个狭缝的时间不同，波形相同，相位差90°，至于哪个超前，决定于标尺光栅移动的方向。当标尺光栅向右移动时，莫尔条纹向上移动，缝隙S2的信号输出波形超前1/4周期；同理，当标尺光栅向左移动时，莫尔条纹向下移动，缝隙S1的输出信号超前1/4周期。根据两狭缝输出信号的超前和滞后可以确定标尺光栅的移动方向。

4.提高光栅分辨精度的细分电路

为了提高光栅的分辨精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但是刻线密度大于200线/mm以上的细光栅刻线制造困难，成本高。为了提高精度和降低成本，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，图7-32所示为光栅检测电路的四细分电路与波形（四信频方案）。光栅刻线密度为50线/mm，采用4个光电元件和4个狭缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可以提高4倍，并且可以辨向。

当指示光栅和标尺光栅相对运动时，硅光电池接受到正弦波电流信号。这些信号送到差动放大器，再通过整形，使之成为两路正弦及余弦方波，然后经过微分电路获得脉冲。由于脉冲是在方波的上升沿上产生，为了使0°、90°、180°、270°的位置上都得到脉冲，必须把正弦和余弦方波分别反向一次，然后再微分，得到了4个脉冲。为了辨别正向和反向运动，可以用一些与门把四个方波sin、-sin、cos、-cos（即A、B、C、D）和四个脉冲进行逻辑组合。当正向运动时，通过与门Y1～Y4及或门H1得到A′B、AD′、C′D、B′C四个脉冲的输出。当反向运动时，通过与门Y5～Y8及或门H2得到BC′、AB′、A′D、C′D四个脉冲的输出，如图7-32（a）所示。其波形如图7-32（b）所示，这样虽然光栅栅距为0.02 mm，但是经过四倍频以后，每一脉冲都相当于5μm，分辨精度提高了4倍。此外，也可以采用八倍频、十倍频等其他倍频电路。

图7-32　光栅检测电路的四细分电路与波形（四信频方案）