光栅式传感器的基本工作原理

利用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。光栅传感器一般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成，光电器件接收到的信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。光栅式传感器有多种不同的光学系统，其中，比较常见的有透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。

（一）透射式光栅传感器
　　

图7-30和图7-31分别为透射式长光栅和圆光栅传感器。这里采用的光源是发光二极管，有的发光二极管本身将透镜集成在一起，光线平行性比较好，不需要外加透镜。有的发光二极管本身没有集成透镜，需外加透镜改善光线的平行性。另外白炽灯也常用作光栅传感器的光源。标尺光栅和指示光栅形成莫尔条纹，这里采用的指示光栅是一种裂相光栅，一般由四部分组成，每一部分的刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各个部分之间在空间上依次错开nW+W/4（n为整数，W为长光栅的栅距或者圆光栅的栅距角）的距离，指示光栅与标尺光栅刻线平行放置，它们之间形成光闸莫尔条纹（也可采用指示光栅与标尺光栅刻线间有很小的夹角，形成横向莫尔条纹），用光电器件分别接收裂相光栅四个部分的透射光，可以得到相位差依次为p /2的四路信号。式中 U0——电信号的直流电平，对应于莫尔条纹的平均光强；Um——电信号的幅值，对应于莫尔条纹明暗的最大变化。

这四相电信号的后续处理过程是：首先将u1、u3和u2、u4分别两两相减，消除信号中的直流电平，得到两路相位差为90° 的信号，然后将它们送入专门的电子细分和辨向电路，可以实现对位移的测量。需要说明的是，相位差为90° 的两路信号是辨向电路所必需的，单独一路信号无法实现辨向。
　　

（二）反射式光栅传感器
　　

典型的反射式光栅传感器原理如图7-32所示。发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。
　　

这种光路的传感器一般用在数控机床上，主光栅常为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的线膨胀系数接近，能减小温度误差。