1、第二節第二節 光柵與電子細分光柵與電子細分 光柵傳感器是根據莫爾條紋原理制成的一種光柵傳感器是根據莫爾條紋原理制成的一種計量光柵，多用于位移測量及與位移相關的物理計量光柵，多用于位移測量及與位移相關的物理量如：速度、加速度、振動、質量、表面輪廓等量如：速度、加速度、振動、質量、表面輪廓等方面的測量。按光柵的形狀和用途分為長光柵和方面的測量。按光柵的形狀和用途分為長光柵和圓光柵，分別用于線位移和角位移的測量。按光圓光柵，分別用于線位移和角位移的測量。按光線走向分為透射光柵和反射光柵線走向分為透射光柵和反射光柵。一、光柵傳感器的結構一、光柵傳感器的結構 光柵傳感器由光源、透光柵傳感器由光源、透鏡、

2、光柵副鏡、光柵副(主光柵和指示主光柵和指示光柵光柵)和光電接收元件組成和光電接收元件組成。 在長度計量中應用的光柵在長度計量中應用的光柵通常稱為計量光柵，它主要通常稱為計量光柵，它主要由主光柵由主光柵(也稱標尺光柵也稱標尺光柵)和和指示光柵組成。指示光柵組成。當標尺光柵相對于指示光柵當標尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產移動時，形成的莫爾條紋產生亮暗交替變化。利用光電生亮暗交替變化。利用光電接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉換成電脈沖信接收元件將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉換成電脈沖信號，并用數字顯示，便可測量出標尺光柵的移動距離號，并用數字顯示，便可測量出標尺光柵的移動距離。光

3、源光源：光柵副：光柵副：d在一塊黑白型長光柵尺在一塊黑白型長光柵尺上平行等距的刻線稱為上平行等距的刻線稱為柵線。設其中透光的縫柵線。設其中透光的縫寬為寬為a，不透光的縫寬，不透光的縫寬為為b，一般情況下光柵，一般情況下光柵的透光縫寬等于不透光的透光縫寬等于不透光的縫寬，即的縫寬，即ab。 da+b稱為光柵柵距稱為光柵柵距(亦稱光柵節距或稱光柵常數亦稱光柵節距或稱光柵常數)。光柵。光柵柵距是光柵尺的一重要參數。刻線密度一般為每毫米柵距是光柵尺的一重要參數。刻線密度一般為每毫米10、25、50、100線。線。光電元件：光電元件：光電池、光敏三極管光電池、光敏三極管二、莫爾條紋形成的原理二、莫爾條紋

4、形成的原理柵線之間保持柵線之間保持很小的夾角很小的夾角橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋的斜率為：的斜率為：橫向莫爾條紋之橫向莫爾條紋之間的距離為：間的距離為：d2sin2d2sinBCABw 光柵移動一個柵距光柵移動一個柵距,莫爾條紋莫爾條紋移動一個條紋寬度移動一個條紋寬度三、莫爾條紋技術的特點三、莫爾條紋技術的特點(1) 由式由式(7-5)可知，雖然光柵常數可知，雖然光柵常數 d 很小，但只要調整夾角很小，但只要調整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度即可得到很大的莫爾條紋的寬度W，起到了放大的作用。這，起到了放大的作用。這樣，就把一個微小移動量的測量轉變成一個較大移動量的測樣，就把一個微小移動量的測量

5、轉變成一個較大移動量的測量，既方便又提高了測量精度。量，既方便又提高了測量精度。 (2)莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，因此便于將電信號莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，因此便于將電信號做進一步細分，即采用做進一步細分，即采用“倍頻技術倍頻技術”。將計數單位變成比一。將計數單位變成比一個周期個周期 d 更小的單位，例如變成更小的單位，例如變成d10記一個數，這樣可以提記一個數，這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。高測量精度或可以采用較粗的光柵。(3)光電元件接收的并不只是固定一點的條紋，而是在一定長度光電元件接收的并不只是固定一點的條紋，而是在一定長度范圍內所有刻線產生的條紋。這樣，對

6、于光柵刻線的誤差起到范圍內所有刻線產生的條紋。這樣，對于光柵刻線的誤差起到了平均作用，也就是說，刻線的局部誤差和周期誤差對于測量了平均作用，也就是說，刻線的局部誤差和周期誤差對于測量精度沒有直接的影響，因此，就有可能得到比光柵本身的刻線精度沒有直接的影響，因此，就有可能得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。別。就是在一圓盤面上就是在一圓盤面上刻有由圓心向四周刻有由圓心向四周輻射的等角間距的輻射的等角間距的輻射線。當兩塊徑輻射線。當兩塊徑向光柵重疊在一起向光柵重疊在一起時，如果使指示光時，如果使指示光柵

7、刻線的輻射中心柵刻線的輻射中心C2略微偏離標尺略微偏離標尺光柵光柵(度盤光柵度盤光柵)的的中心中心C1，便形成，便形成莫爾條紋，莫爾條紋， 目前徑向光柵的刻線角間距目前徑向光柵的刻線角間距范圍多為范圍多為20/20/(相當于一相當于一圓周內刻有圓周內刻有1080至至64800條線條線)。徑向光柵徑向光柵四、光柵的光路四、光柵的光路(1)透射式光路透射式光路(2)反射式光路反射式光路五、辯向原理五、辯向原理莫爾條紋下移莫爾條紋下移六、細分技術六、細分技術 利用光柵進行測量時，當運動零件移動一個柵距，輸出一個利用光柵進行測量時，當運動零件移動一個柵距，輸出一個周期的交變信號，也即產生一個脈沖間隔。

8、那么每個脈沖間隔周期的交變信號，也即產生一個脈沖間隔。那么每個脈沖間隔代表移過一個柵距，即分辨率代表移過一個柵距，即分辨率(或稱脈沖當量或稱脈沖當量)為一個柵距。為一個柵距。 所謂細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出所謂細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出1個脈沖，個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減而是輸出若干個脈沖，以減 小脈沖當量提高分辨率。小脈沖當量提高分辨率。例如，莫例如，莫爾條紋變化一周期不是輸出爾條紋變化一周期不是輸出1個脈沖數，而是輸出個脈沖數，而是輸出4個脈沖個脈沖 數，數，這就叫四細分。在采用四細分的情況下，柵距為這就叫四細分。在采用四細分的情況下，柵距為4m的光柵，的

9、光柵，其分辨率可從其分辨率可從4m提高到提高到 1m。細分越多，分辨率越高。細分越多，分辨率越高。1、四倍頻直接細分、四倍頻直接細分 這種細分法是這種細分法是在在個莫爾條紋個莫爾條紋寬度內，按一定寬度內，按一定間隔適當地放置間隔適當地放置四個光電元件，四個光電元件，使這四個光電元使這四個光電元件輸出的電信號件輸出的電信號相位依次差相位依次差900 對于長光柵系統，由于莫爾條紋方程是直線方程，故可以均對于長光柵系統，由于莫爾條紋方程是直線方程，故可以均布四塊硅光電池來獲得布四塊硅光電池來獲得四相四相正交信號以實現四細分，如圖正交信號以實現四細分，如圖77所示。所示。34231241ptptptptQ14433221ptptptptQ1443322134231241ptptptptptptptptQ一種四細分邏輯圖一種四細分邏輯圖2、電位器橋、電位