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第7章 光栅传感器 7.1.1 光栅的分类及结构 1 光栅的分类 按原理和用途分类：物理光栅和计量光栅 按投射形式分类:透射式光栅和反射式光栅 按栅线形式分类：黑白光栅（栅线和缝隙构成）和相位光栅（横断面呈锯齿状） 按应用类型分类：长光栅（测量长度和线位移）和圆光栅（测量角度和角位移）。 长光栅有透射式和反射式，而且均有黑白光栅和相位光栅；圆光栅一般只有透射式黑白光栅。 光栅的结构 光栅就是在基面上等间距（或不等间距）密集的刻划，使刻划处不透光，未刻划处透光，形成透光与不透光相间排列的光电元件。栅距ω=a+b ，也叫光栅常数或光栅节距。每毫米长度内的栅线数表示栅线密度。圆光栅还有一 个参数是栅距角γ 圆光栅有三种栅线形式：径向光栅、切向光栅、环形光栅。如图7.2 7.1.2 莫尔条纹原理 计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅用于拾取信号。 将主光栅和指示光栅的刻划面相向叠合并且使二者栅线有很小的交角θ，如图7.3 ，在栅线错开的地方，光线从缝隙中透过形成亮带，在栅线交叠的地方，光被遮挡，形成暗带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹（横向莫尔条纹）。 当交角θ等于零时，两个光栅相对移动时，入射光的作用像闸门一样时启时闭，此时形成的条纹为光闸莫尔条纹。两光栅相对移动一个栅距，光闸莫尔条纹明暗变化一次。 7.1.3 莫尔条纹特点 位移放大作用 相邻两条莫尔条纹间距B与栅距ω及两光栅夹角θ的关系为： 令K为放大系数，则： 尽管栅距很小，而通过莫尔条纹放大作用仍使其清晰可辨，通过调整θ角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使光电接收元件能正确接收光信号。 例如对于100线/mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06°时，莫尔条纹间距B可达10mm 放大了1000倍。 运动对应关系 若i为移动的刻线数，x为移动距离，则x=iω 而ω=Bθ,则 当i，θ一定时，B与移动距离呈正比。 任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直刻线的方向移动，光栅移动一个ω，莫尔条纹移动一个B,可以测量莫尔条纹的移动，辨别光栅的移动。 光栅传感器测量位移原理 光栅传感器的基本工作原理是利用莫尔条纹现象，将被测几何量转换为莫尔条纹的变化，再将莫尔条纹的变化经过光电转换系统转换成电信号，从而实现精密测量。 光电转换系统包括光源、聚光镜、光栅主尺、指示光栅和光敏元件。 在一个变化周期内，光强呈正弦曲线变化。 当光电元件接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换成电信号。光栅移动一个栅距，电信号变化一个周期。光电信号的输出电压U用光栅位移x的正弦函数表示。 当波形重复到原来的相位和幅值时，相对于光栅移动了一个栅距ω，莫尔条纹移动一个条纹间距，只要记录移动的莫尔条纹数N，则光栅移动的距离就是N ω,这就是利用光闸莫尔条纹测位移的原理。 * * 计量光栅测量技术主要是利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量。利用光栅的相对移动，使透射光的光强度呈周期性变化，再把这种光强信号由光电元件变为周期性变化的电信号，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅的相对位移量。 物理光栅刻线细密，利用光纤的衍射现象。用于光谱的分析和光波长的测量。计量光栅主要利用莫尔现象对长度、角度等几何量的测量。 放大 栅线，宽度为a 缝隙，宽度为b