光柵傳感器基本原理

　　光柵式傳感器（optical grating transducer）指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。

　　這些條紋以光柵的相對運(yùn)動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強(qiáng)反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量機(jī)構(gòu)中，可測量靜、動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動測量、變形測量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

　　光柵傳感器應(yīng)用場合

　　光纖光柵傳感器還在其他領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且許多方面的性能都比傳統(tǒng)的機(jī)電類傳感器更穩(wěn)定、更可靠、更準(zhǔn)確。光纖光柵傳感器可以用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測量，具有較高的靈敏度和測量范圍。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵，就可以同時測定若干部位相應(yīng)物理量及其變化，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式光纖傳感。總之，光纖光柵傳感器的應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

　　光柵傳感器通常作為測量元件應(yīng)用于機(jī)床定位、長度和角度的計(jì)量儀器中，并用于測量速度、加速度、振動等。

　　如圖所示為光柵式萬能測長儀的工作原理圖。主光柵采用透射式黑白振幅光柵，光柵柵距W＝0.01μm，指示光柵采用四裂相光柵，照明光源采用紅外發(fā)光二極管TIL-23，其發(fā)光光譜為930nm～l000nm，接收用LS600光電三極管，兩光柵之間的間隙為0.02nm～0.035mm，由于主光柵和指示光柵之間的透光和遮光效應(yīng)，形成莫爾條紋，當(dāng)兩塊光柵相對移動時，便可接收到周期性變化的光通量。利用四裂相指示光柵依次獲得sin?、cos?、-sin?和-cos?四路原始信號，以滿足辨向和消除共模電壓的需要。

　　圖 光柵式萬能測長儀的工作原理圖

　　由光柵傳感器獲得的四路原始信號，經(jīng)差分放大器放大、移相電路分相、整形電路整形、倍頻電路細(xì)分、辨向電路辨向進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由顯示器顯示讀出。這是光柵式萬能測長儀從光柵傳感器輸出信號后讀出的整個邏輯，每步邏輯由相應(yīng)的電路來完成，通常采用大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)以上功能。

　　隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前人們已研制出帶微機(jī)的光柵數(shù)顯裝置。采用微機(jī)后，可使硬件數(shù)量大大減少，功能越來越強(qiáng)。

　　顧名思義，光電式傳感器就是將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的一種器件，簡稱光電器件。要將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，必須經(jīng)過兩個步驟：一是先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；二是通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化。這樣就實(shí)現(xiàn)了將非電量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化。由于光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電器件是有響應(yīng)速度快、可靠性較高、精度高、非接觸式、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，因此光電式傳感器在現(xiàn)代測量與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。