光柵的工作原理

4/4光柵的工作原理光柵的工作原理

常見光柵的工作原理都是根據(jù)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(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置

兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：

(1)當(dāng)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(shù)。

(2)若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為W=d/sin

θ（4—15）

當(dāng)角很小時，取sinθ≈θ，上式可近似寫成W=d/θ（4—16）

若取d=0.01mm,θ=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，無需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)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(yīng)，能消除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(yīng)。兩光柵尺相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應(yīng)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(dāng)兩光柵尺相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。

圖4-9光柵工作原理

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根據(jù)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個觀察窗口A，B，C，D，且使這4個窗口兩兩相距1／4莫爾條紋寬度，即W／4。由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋隨之移動，從4個觀察窗口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)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函數(shù)的光強度變化過程，用La,Lb,LC,LD表示，見圖4-9(c)。若采用光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀察窗口的光強度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，設(shè)為La,Lb,LC,LD。根據(jù)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

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(yīng)的，故通過檢測

Va,Vb,Vc,Vd這4個電壓信號的變化情況，便可相應(yīng)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(shù)，故根據(jù)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(biāo)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(yīng)地沿向下的方向移動，透過觀察窗口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(yīng)的電壓信號Va和Vb如圖4-10(a)所示，在這種情況下，Va滯后Vb的相位為π／2；反之，若標(biāo)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(yīng)地沿向上的方向移動，透過觀察窗口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(yīng)的電壓信號Va和Vb如圖

4-10(b)所示，在這種情況下，超前的相位為π／2。因此，根據(jù)Va和Vb兩信號相互間的超前和滯后關(guān)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決定著莫爾條紋的移動速度，即決定著透過觀察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尺的相對移動速度。

如前所述，當(dāng)兩光柵尺有相對位移時，光柵讀數(shù)頭中的光敏元件根據(jù)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(zhuǎn)換成了四路兩兩

相差π/2的電壓信號V

A，V

B

，V

C

，V

D

，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(guān)系反映了兩光柵尺的相對移動方向。但在實際應(yīng)用中，常常需要將兩光柵尺的相對位移表達成易于辨識和應(yīng)用的數(shù)字脈沖量，因此，光柵讀數(shù)頭輸出的四路電壓信號還必須經(jīng)過進一步的信息處理，轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)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圖。它由三個部分組成，即放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和鑒向倍頻線路。

1、放大與整形

放大與整形環(huán)節(jié)與一般系統(tǒng)中采用的原理及結(jié)構(gòu)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(guī)整。這里的放大環(huán)節(jié)主要采用的是差動放大器，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(shù)頭的機械誤差造成的光柵讀數(shù)頭輸出信號的相位誤差，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)

后，V

A，V

B

，V

C

，V

D

(其初相位分別對應(yīng)于圖4-11中的0，π/2，π和3π/2)四

路電壓信號變成兩路，一路其初相位和頻率同V

A一樣，一路同V

B

一樣，分別記

為V

A和V

B

(對應(yīng)于圖4-11中放大環(huán)節(jié)輸出的0和π/2)。整形環(huán)節(jié)采用的是電壓

比較器，其作用是將V

A和V

B

轉(zhuǎn)換成同頻率同相位的兩路方波信號A和B(分別對

應(yīng)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(huán)節(jié)信號輸入輸出關(guān)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，即根據(jù)整形環(huán)節(jié)輸出的兩路方波信號A和B的相位關(guān)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(nèi)的一個脈沖(方波)變?yōu)樗膫€脈沖，這四個脈沖兩兩相距1/4周期。因一個周期內(nèi)的一個脈沖表示工作臺移動了一個柵距，這一個周期內(nèi)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分辨率。

圖4-13是鑒向倍頻線路的框圖，圖中實現(xiàn)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(chǎn)生的脈沖信號與時鐘CP同步，應(yīng)用比較方便，工作也十分可靠。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的頻率以減少倍頻后的相移誤差。此外，從圖4-15也可以看出，真正實現(xiàn)

四倍頻，M

1M

2

M

3

和M

4

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4-14四倍頻線路邏輯圖

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

表4-2雙“四選一”線路真值表

如果我們用1y表示正向脈沖輸出端，2y表示反向脈沖輸出端，根據(jù)雙“四選一”線路的真值表，可以得到1y和2y的表達式：

（4—17）

（4—18）

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(即工作臺反向移動)時波形圖如圖4-17所示。由圖中可