光柵尺的工作原理
莫爾條紋
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" (圖2所示),。嚴(yán)格地說,，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,。
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
兩片光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(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。
檢測與數(shù)據(jù)處理
電子細(xì)分與判向法
光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量,。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),。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量,。
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/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,，即要檢測其大小,，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號,。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其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖,，需對這兩路信號進(jìn)行整形,，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后,，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較,，就可以得到光柵尺的移動(dòng)方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，可以得到光柵尺的位移和速度,。
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