1、光柵的工作原理常見光柵的工作原理都是依據物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。圖4-9是其工作原理圖。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必定會造成兩光柵尺上的線紋相互交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區域內由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區域消滅亮帶。相反，距交叉點較遠的區域，因兩光柵尺不透亮的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透亮區域面積漸漸變大，即遮光面積漸漸變大，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區域透過光柵，使這個區域消滅暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間消滅的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質：(1)

2、 當用平行光束照射光柵時，透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數。(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關系為W=d/sin                                   &

3、#160;                           （415）當角很小時，取sin，上式可近似寫成W=d/                 

4、0;  （416）若取d=0.01mm,=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，無需簡單的光學系統和電子系統，利用光的干涉現象，就能把光柵的柵距轉換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個重要特點。(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個別線紋之間的柵距誤差具有平均效應，能消退光柵柵距不均勻所造成的影響。(4) 莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動相對應。兩光柵尺相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對移動的方向垂直，且當兩光柵尺相對移動的方向轉變時，莫爾條紋移動的方向也隨之轉變。圖4

5、-9 光柵工作原理點擊進入動畫觀看光柵工作原理示意依據上述莫爾條紋的特性，假如我們在莫爾條紋移動的方向上開4個觀看窗口A，B，C，D，且使這4個窗口兩兩相距14莫爾條紋寬度，即W4。由上述爭辯可知，當兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋隨之移動，從4個觀看窗口A，B，C，D可以得到4個在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對移動的方向)14周期(即2)的近似于余弦函數的光強度變化過程，用La,Lb,LC,LD表示，見圖4-9(c)。若接受光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀看窗口的光強度變化轉換成相應的電壓信號，設為La,Lb,LC,LD。依據這4個電壓信號，可以檢測出光柵尺的相對移動。1位移大小的檢測

6、由于莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動是相對應的，故通過檢測Va,Vb,Vc,Vd這4個電壓信號的變化狀況，便可相應地檢測出兩光柵尺之間的相對移動。Va,Vb,Vc,Vd每變化一個周期，即莫爾條紋每變化一個周期，表明兩光柵尺相對移動了一個柵距的距離；若兩光柵尺之間的相對移動不到一個柵距，因Va,Vb,Vc,Vd是余弦函數，故依據Va,Vb,Vc,Vd之值也可以計算出其相對移動的距離。2位移方向的檢測在圖4-9(a)中，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿正方向移動，這時，莫爾條紋相應地沿向下的方向移動，透過觀看窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過程La和Lb及輸出的相應的電壓信號Va和Vb如

7、圖4-10(a)所示，在這種狀況下，Va滯后Vb的相位為2；反之，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿負方向移動，這時，莫爾條紋則相應地沿向上的方向移動，透過觀看窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過程和及輸出的相應的電壓信號Va和Vb如圖4-10(b)所示，在這種狀況下，超前的相位為2。因此，依據Va和Vb兩信號相互間的超前和滯后關系，便可確定出兩光柵尺之間的相對移動方向。圖 4-10 光柵的位移檢測原理圖圖 4-11 光柵信息處理線路框圖3速度的檢測兩光柵尺的相對移動速度打算著莫爾條紋的移動速度，即打算著透過觀看窗口的光強度的頻率，因此，通過檢Va,Vb,Vc,Vd的變化頻率就可以推斷出兩光柵

8、尺的相對移動速度。如前所述，當兩光柵尺有相對位移時，光柵讀數頭中的光敏元件依據透過莫爾條紋的光強度變化，將兩光柵尺的相對位移即工作臺的機械位移轉換成了四路兩兩相差/2的電壓信號VA，VB，VC，VD，這四路電壓信號的變化頻率代表了兩光柵尺相對移動的速度；它們每變化一個周期，表示兩光柵尺相對移動了一個柵距；四路信號的超前滯后關系反映了兩光柵尺的相對移動方向。但在實際應用中，經常需要將兩光柵尺的相對位移表達成易于辨識和應用的數字脈沖量，因此，光柵讀數頭輸出的四路電壓信號還必需經過進一步的信息處理，轉換成所需的數字脈沖形式。圖4-11 光柵信息處理線路框圖圖4-11給出了一種用于光柵信息處理的線路框

9、圖。它由三個部分組成，即放大環節、整形環節和鑒向倍頻線路。1、放大與整形放大與整形環節與一般系統中接受的原理及結構無多大差別，主要是用以求得電壓與功率的圖4-11光柵信息處理線路框圖放大以及波形的規整。這里的放大環節主要接受的是差動放大器，以抑制各種共模干擾信號的影響及矯正因光柵尺和光柵讀數頭的機械誤差造成的光柵讀數頭輸出信號的相位誤差，經過放大環節后，VA，VB，VC，VD(其初相位分別對應于圖4-11中的0，/2，和3/2)四路電壓信號變成兩路，一路其初相位和頻率同VA一樣，一路同VB一樣，分別記為VA和VB(對應于圖4-11中放大環節輸出的0和/2)。整形環節接受的是電壓比較器，其作用是

10、將VA和VB轉換成同頻率同相位的兩路方波信號A和B(分別對應于圖4-11中的sin和cos)，見圖4-12。電壓比較器可選用LM311。圖4-12 整形環節信號輸入輸出關系2、鑒向倍頻顧名思義，鑒向倍頻線路的功能有兩個：一是鑒別方向，即依據整形環節輸出的兩路方波信號A和B的相位關系確定出工作臺的移動方向；二是將A和B兩路信號進行脈沖倍頻，即將圖4-13鑒向倍頻線路框圖一個周期內的一個脈沖(方波)變為四個脈沖，這四個脈沖兩兩相距1/4周期。因一個周期內的一個脈沖表示工作臺移動了一個柵距，這一個周期內的四個脈沖中的每一個則表示了工作臺移動了1/4柵距，這樣就提高了光柵測量裝置的辨別率。圖4-13是

11、鑒向倍頻線路的框圖，圖中實現四倍頻的線路如圖4-14所示，其波形圖見圖4-15。這種倍頻線路產生的脈沖信號與時鐘CP同步，應用比較便利，工作也格外牢靠。在該四倍頻線路中，時鐘脈沖信號的頻率要遠遠高于方波信號A和B的頻率以削減倍頻后的相移誤差。此外，從圖4-15也可以看出，真正實現四倍頻，M1M2M3和M4還需要“或”起來，這將由鑒向線路來完成。圖4-13 鑒相倍頻線路框圖圖4-14 四倍頻線路規律圖 圖4-15 四倍頻線路波形圖圖4-16是鑒向線路圖，它實際上是由一個雙“四選一”線路所組成。雙“四選一”線路有專用的集成電路。如74LS153，其真值表見表4-2。圖4-16 鑒向線路圖

12、表4-2   雙“四選一”線路真值表數 據 選 則輸 出ENB   ENA y0    0 y=C00    1y=C11    0 y=C21    1y=C3假如我們用1y表示正向脈沖輸出端，2y表示反向脈沖輸出端，依據雙“四選一”線路的真值表，可以得到1y和2y的表達式：          （417）           （418）由上式可畫出方波A滯后于B(即工作臺正向移動)和A超前于B(即工作臺