第二节 光栅与电子细分

第二节光栅与电子细分

光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，多用于位移测量及与位移相关的物理量如：速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面的测量。按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。按光线走向分为透射光栅和反射光栅。一、光栅传感器的结构

光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅和指示光栅)和光电接收元件组成。

在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅(也称标尺光栅)和指示光栅组成。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。光源：光栅副：d在一块黑白型长光栅尺上平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，一般情况下光栅的透光缝宽等于不透光的缝宽，即a＝b。

d＝a+b称为光栅栅距(亦称光栅节距或称光栅常数)。光栅栅距是光栅尺的一重要参数。刻线密度一般为每毫米10、25、50、100线。光电元件：光电池、光敏三极管二、莫尔条纹形成的原理栅线之间保持很小的夹角θ横向莫尔条纹的斜率为：横向莫尔条纹之间的距离为：

光栅移动一个栅距,莫尔条纹移动一个条纹宽度三、莫尔条纹技术的特点(1)由式(7-5)可知，虽然光栅常数d很小，但只要调整夹角θ即可得到很大的莫尔条纹的宽度W，起到了放大的作用。这样，就把一个微小移动量的测量转变成一个较大移动量的测量，既方便又提高了测量精度。

(2)莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，因此便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技术”。将计数单位变成比一个周期d更小的单位，例如变成d／10记一个数，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。(3)光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。这样，对于光栅刻线的误差起到了平均作用，也就是说，刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响，因此，就有可能得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。就是在一圆盘面上刻有由圆心向四周辐射的等角间距的辐射线。当两块径向光栅重叠在一起时，如果使指示光栅刻线的辐射中心C2略微偏离标尺光栅(度盘光栅)的中心C1，便形成莫尔条纹，

目前径向光栅的刻线角间距范围多为20//～20/(相当于一圆周内刻有1080至64800条线)。径向光栅四、光栅的光路(1)透射式光路(2)反射式光路五、辩向原理莫尔条纹下移六、细分技术

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，也即产生一个脉冲间隔。那么每个脉冲间隔代表移过一个栅距，即分辨率(或称脉冲当量)为一个栅距。

所谓细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出1个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨率。例如，莫尔条纹变化一周期不是输出1个脉冲数，而是输出4个脉冲数，这就叫四细分。在采用四细分的情况下，栅距为4μm的光栅，其分辨率可从4μm提高到1μm。细分越多，分辨率越高。1、四倍频直接细分

这种细分法是在—个莫尔条纹宽度内，按一定间隔适当地放置四个光电元件，使这四个光电元件输出的电信号相位依次差900

对于长光栅系统，由于莫尔条纹方程是直线方程，故可以均布四块硅光电池来获得四相正交信号以实现四细分，如图7—7所示。一种四细分逻辑图2、电位器桥(电阻链)细分则用此信号去触发施密特电路，当θ＝-α(