光栅传感器工作原理

一、光栅传感器的基本原理

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。光栅传感器的基本结构如图1所示：

图1 光栅传感器的基本结构

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如图1所示，当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹。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。

光栅传感器光源：钨丝灯泡的输出功率较大，工作范围较宽为-40℃到+130℃，但是它与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。因此必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。半导体发光器件转换效率高，响应快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。

光栅副：如图2所示为透射光栅，它是一个长光栅，在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则的明暗线条。图中a为刻线宽度，b为可惜案件的缝隙宽度，a+b=W 称为光栅的栅距或光栅常数。通常情况下，a=b=W/2，也可以做成a:b=1.1:0.9,刻线密度一般为每毫米10,25,50,100线。

图2 透射光栅

指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。

光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。

二、莫尔条纹形成的原理

把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起（片间留有很小的间隙），并使两者栅线之间保持很小的夹角θ，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如图3所示。在a-a’线上，两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b’线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相见的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称做横向莫尔条纹。

图3 光栅和横向莫尔条纹

由图可知，横向莫尔条纹的斜率为

式中，为亮（暗）带的倾斜角，为两光栅的栅线夹角。横向莫代尔条纹（亮带与暗带）之间的距离为

式中，为横向莫尔条纹之间的距离；W为光栅常数。

由此可见，莫尔条纹的宽度由光栅常数与光栅的夹角决定。对于给定的光栅常数W 的两光栅，夹角越小，条纹宽度越大，即条纹稀。所以通过调整夹角，可以使条纹宽度具有任何所需要的值。

三、莫尔条纹技术的特点

（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，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，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。

（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可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。

上述是基于莫尔条纹技术利用长光栅进行位移测量，除此之外还可以用径向光栅进行角度测量，如图4所示，

图4 径向光栅

当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。