光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個(gè)主要部分構(gòu)成。

1、光源：鎢絲燈泡，它有較小的功率，與光電元件組合使用時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，可以在 范圍內(nèi)工作，所發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為 ，與硅光敏三極管的峰值波長(zhǎng)接近，因此，有很高的轉(zhuǎn)換效率，也有較快的響應(yīng)速度。

2、光柵付：由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊，但又不完全重合。兩者柵線間會(huì)錯(cuò)開一個(gè)很小的夾角 ，以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動(dòng)的，它可以單獨(dú)地移動(dòng)，也可以隨被測(cè)物體而移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍。指示光柵相對(duì)于光電器件而固定。

3、通光孔：通光孔是發(fā)光體與受光體的通路，一般為條形狀，其長(zhǎng)度由受光體的排列長(zhǎng)度決定，寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。

4、受光元件：受光元件是用來(lái)感知主光柵在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生莫爾條紋的移動(dòng)，從而測(cè)量位移量。在選擇光敏元件時(shí)，要考慮靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、穩(wěn)定性、體積等因素。

將主光柵與標(biāo)尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個(gè)微小的夾角θ，如圖所示。

當(dāng)有光源照射時(shí)，由于擋光效應(yīng)（對(duì)刻線密度≤50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對(duì)刻線密度≥100條/mm的光柵），與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。

在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開的地方，形成暗帶；這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ（單位為rad）之間的關(guān)系為

（K稱為放大倍數(shù)）。

當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動(dòng)；光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋也反向移動(dòng)。

主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測(cè)量光柵移動(dòng)的大小和方向，這要比直接對(duì)光柵進(jìn)行測(cè)量容易得多。

當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線夾角θ較小時(shí)，由上述公式可知，W一定時(shí)，θ愈小，則B愈大，相當(dāng)于把柵距W放大了1/ θ倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對(duì)刻線誤差具有平均效應(yīng)，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測(cè)量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測(cè)量。