美國(guó)邦納光柵尺傳感器

光柵檢測(cè)裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源,、會(huì)聚透鏡,、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成,。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多,，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭,、分光鏡式讀數(shù)頭,、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）。

工作原理

以透射光柵為例,，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度θ,，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對(duì)平行放置時(shí)，在光源的照射下,，位于幾乎垂直的柵紋上,，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (右圖所示),。嚴(yán)格地說(shuō),，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直,。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示,。

莫爾條紋

W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ ,。

莫爾條紋具有以下特征：

(1)莫爾條紋的變化規(guī)律

兩片光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋距離,。由于光的衍射與干涉作用,，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對(duì)位移的柵距數(shù)同步,。

(2)放大作用

在兩光柵柵線夾角較小的情況下,，莫爾條紋寬度W和光柵柵距ω、柵線角θ之間有下列關(guān)系,。式中,，θ的單位為rad，W的單位為mm,。由于傾角很小,，sinθ很小，則

W=ω /θ

若ω =0．01mm,，θ=0.01rad,，則上式可得W=1，即光柵放大了100倍,。

(3)均化誤差作用

莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成,，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋,，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了,，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差,。

檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理

電子細(xì)分與判向法

光柵測(cè)量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對(duì)位稱量進(jìn)行測(cè)量,。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難,。為了提高系統(tǒng)分辨率,，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，光柵尺傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法,。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí),，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動(dòng),，莫爾條紋也隨之上下移動(dòng),。這樣就把對(duì)光柵柵距的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)莫爾條紋個(gè)數(shù)的測(cè)量。

在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi),，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能,。例如,，柵線為50線對(duì)/mm的光柵尺，其光柵柵距為0.02mm,，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖,，這在工業(yè)普通測(cè)控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量,，即要檢測(cè)其大小,，又要檢測(cè)其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號(hào),。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器,。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號(hào)其相位差為π/2,，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖,，需對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波,。然后,，通過(guò)對(duì)方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向,。通過(guò)對(duì)方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，可以得到光柵尺的位移和速度 。

美國(guó)邦納光柵尺傳感器