光栅数字传感器

文章摘要：光栅数字传感器光栅的类型和结构 光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按照工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅，物理光栅基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长等测量；计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的器件，常用于位移的精密测量。按用途和结构形式，计量光栅又可分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。实际应用时，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，透射光栅是在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成的，而反射光栅则是在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹所形成。本节主要讨论透射式计量光栅。透射光栅的结构如图12.1.1所示，a为刻线（不透光）宽

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光栅数字传感器

光栅的类型和结构

　　光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按照工作原理，光栅可分为物理光栅和计量光栅，物理光栅基于光栅的衍射现象，常用于光谱分析和光波长等测量；计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的器件，常用于位移的精密测量。
　　按用途和结构形式，计量光栅又可分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。实际应用时，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，透射光栅是在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成的，而反射光栅则是在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹所形成。本节主要讨论透射式计量光栅。
　　透射光栅的结构如图12.1.1所示，a为刻线（不透光）宽度，b为缝隙（透光）宽度， W = a+b称为光栅的栅距，一般a=b，也可做成a:b=1.1:0.9。常用的透射光栅的刻线密度一般为每毫米10、25、50、100、250条线，刻线的密度由测量精度决定。

图12.1.1  透射光栅

光栅数字传感器的工作原理

　　光栅数字传感器，通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成，如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1（主光栅）和指示光栅2组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。

图12.1.2  光栅数字传感器

1.莫尔条纹
　　将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图12.1.3所示。当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条/mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ（单位为rad）之间的关系为
　　　　　　　　（12.1.1）
　　（12.1.2）

K­称为放大倍数。
莫尔条纹有如下几个重要特性：
（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应
　　当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

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