光栅传感器的工作原理

3.3.2　光栅传感器的工作原理

光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件所组成，如图3-9所示。图中光源1和透镜2构成了照明系统；主光栅3（又叫标尺光栅）和指示光栅4构成光栅副；5为光电接收元件；其中，光栅副是光栅传感器中的主要元件。光栅传感器常用的光栅副主要有长光栅副和圆盘光栅副。

图3-9　透射光栅传感器光路

用得较普遍的是莫尔条纹式光栅。如图3-10（a）所示，若光源以平行光照射光栅时，由于挡光效应和光的衍射，则在与线纹垂直方向上（更确切地说，在两块光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上），出现了明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称谓“莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹，其光强度分布近似于正弦波形。如果将指示光栅沿标尺光栅长度方向平行地移动，则可看到莫尔条纹也跟着移动，但移动方向与指示光栅移动方向垂直。当指示光栅移动一条刻线时，莫尔条纹也正好移过一个条纹。

如果改变θ 角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。由图3-10（b）可知，条纹间距B的大小为：

图3-10　莫尔条纹形成原理示意图

莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差θ/2，即近似于与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（3-1）可以明显地看出莫尔条纹有如下重要特性：

（1）平均效应

莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅栅线的刻画误差有平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。

（2）放大作用

由于θ角很小，从式（3-1）可明显看出光栅有放大作用，放大系数为：

栅距W是很小的，很难观察，而莫尔条纹却清晰可见。

（3）对应关系

两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向（确切地说，沿栅线夹角θ的平分线方向）移动。两光栅相对移动一栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。利用这种严格的一一对应关系，根据光电元件接收到的条纹数目，就可以计算出小于光栅栅距的微小位移量。