任務7.1角度編碼器任務7.2光柵傳感器項目7數字式傳感器及應用任務7.3感應同步器7.2光柵傳感器光柵傳感器是利用光柵的莫爾條紋現象來測量位移，它把光柵作為測量長度的計量元件，也稱為計量光柵。光柵的分類（1）長光柵和圓光柵（按用途分）

圓光柵用于角位移的測量，長光柵用于直線位移的測量。（2）透射光柵和反射光柵（按光線的走向分）透射光柵是將柵線刻在透明材料上，常用光學玻璃和制版玻璃。反射光柵的柵條刻制在具有強反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。（3）黑白光柵和相位光柵（按柵線形式分）黑白光柵只對入射光波的振幅或光強進行調制，相位光柵對入射光波的相位進行調制。主要討論用于長度測量的黑白透射光柵。光柵傳感器的結構圖1－LED光源2－聚光透鏡3－掃描光柵（指示光柵）4－主光柵（標尺光柵）5－柵狀光電接收元件透射式直線光柵結構及組成直線透射式長光柵測量原理圖1－光源2－透鏡3－指示光柵4－主光柵（標尺光柵）5－零位光柵6－細分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件（放大圖見后頁）光源、透鏡、指示光柵及光敏元件均固定在掃描頭內，隨掃描頭一起聯動。1－光源2－透鏡3－指示光柵4－主光柵(標尺光柵)5－零位光柵6－細分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件放大圖透射式光柵光柵傳感器光柵數字傳感器光柵數字傳感器主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。光柵數字傳感器是干什么的？主要用于線位移和角位移的測量。還可以擴展到速度、加速度、振動、質量和表面輪廓等方面。什么是光柵？在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。透射光柵示意圖

abWa為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。光柵數字傳感器的原理：莫爾條紋標尺光柵指示光柵莫爾條紋形成在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩條光柵的透光線的重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的不透光處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

莫爾條紋的光學放大作用

（暗線到暗線的間距大于刻線的間距）

暗線到暗線的間距柵距透射光線莫爾條紋演示B莫爾條紋莫爾條紋B莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角θ(弧度)之間的關系為：莫爾條紋莫爾條紋特點：(1)位移的放大作用當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度B，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。θ越小，B越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度B是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。

莫爾條紋光學放大作用的計算

例:有一直線光柵，每毫米刻線數為50，主光柵與指示光柵的夾角

=1.8=1.8

×3.14/180

弧度，求：分辨力和莫爾條紋的寬度。解：分辨力

=柵距W=1mm÷50=0.02mm=20

m（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）由以下計算可知，莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

B≈W/θ=0.02mm/(1.8

×3.14/180

)=0.02mm÷0.0314=0.02mm×32=0.64mm

由于莫爾條紋間距有0.64mm，因此可以用小面積的光電池，通過“狹縫”來“觀察”莫爾條紋光強的變化。莫爾條紋特點：(2)位移的移動方向如光柵1（指示光柵）沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2（標尺光柵）的柵線向下移動；反之，當光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向上移動。因此根據莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進行辨向。光柵1光柵2莫爾條紋莫爾條紋位移測量原理若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則光信號被轉換為電信號(電壓或電流)輸出。莫爾條紋位移測量原理莫爾條紋位移測量原理光柵輸出電壓信號的幅值為光柵位移量x的函數，即：U0—輸出信號中的直流分量；Um—輸出交流信號的幅值；x—兩光柵間的相對位移.

莫爾條紋位移測量原理將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲ǎ浳⒎蛛娐忿D換成脈沖信號，再經過辨向電路和可逆計數器計數，則可在顯示器上以數字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數與柵距的乘積：莫爾條紋位移測量原理辨向原理1）為什么要辨向？如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。因而必須在測量電路中加入辨向電路。例：某1024p/r圓光柵，正轉10圈，反轉4圈，求：采用辨向電路后的計數值（脈沖數）。（若不采取辨向措施，則計數器將錯誤地得到14336個脈沖）解：辨向后的計數值為

N=10×1024-4×1024＝6144個脈沖。辨向原理在相隔B/4的莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90o的兩個信號。通過判斷兩路信號的相位差即可判斷出指示光柵的移動方向。當指示光柵向右移動時，uos滯后于uoc；當指示光柵向左移動時，uos超前于uoc

。辨向原理細分技術若以移動過的莫爾條紋的數目來確定位移量，其分辨力為光柵柵距W。為了提高分辨力和測得比柵距W更小的位移量，可采用細分技術。細分思想：在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內,發(fā)出n個計數脈沖,每個脈沖代表原來柵距的1/n。由于細分后計數脈沖頻率提高了n倍,因此也稱之為n倍頻。脈沖細分細分技術能在不增加光柵刻線數及價格的情況下提高光柵的分辨力。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術后，計數脈沖的頻率提高了4倍，相當于原光柵的分辨力提高了3倍，較大地提高了測量準確度。細分前細分后光柵細分舉例

例：有一直線光柵，每毫米刻線數為50，采用4細分技術，求：細分前、后的分辨力