光栅的工作原理.doc

光栅得工作原理
常见光栅得工作原理都就是根据物理上莫尔条纹得形成原理进行工作得。图４-９就是其工作原理图。当使指示光栅上得线纹与标尺光栅上得线纹成一角度来放置两光栅尺时,必然会造成两光栅尺上得线纹互相交叉。在光源得照射下,交叉点近旁得小区域内由于黑色线纹重叠,因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光得累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远得区域,因两光栅尺不透明得黑色线纹得重叠部分变得越来越少,不透明区域面积逐渐变大,即遮光面积逐渐变大,使得挡光效应变强，只有较少得光线能通过这个区域透过光栅,使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直,相间出现得亮、暗带就就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质:ﻫ(1)　当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹得光强度分布近似于余弦函数。ﻫ(2)　若用W表示莫尔条纹得宽度,d表示光栅得栅距,θ表示两光栅尺线纹得夹角，则它们之间得几何关系为Ｗ＝d/ｓiｎθ                                                               (４—１5）
当角很小时,取ｓinθ≈θ，上式可近似写成Ｗ＝d/θ                    (４—16)
若取d=０．01ｍｍ,θ=0、01rａｄ,则由上式可得Ｗ＝1mm。这说明,无需复杂得光学系统与电子系统，利用光得干涉现象,就能把光栅得栅距转换成放大１0０倍得莫尔条纹得宽度。这种放大作用就是光栅得一个重要特点。
(3）　由于莫尔条纹就是由若干条光栅线纹共同干涉形成得，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间得栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成得影响。ﻫ(4）　莫尔条纹得移动与两光栅尺之间得相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距ｄ,莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W,其方向与两光栅尺相对移动得方向垂直，且当两光栅尺相对移动得方向改变时,莫尔条纹移动得方向也随之改变。

图4－9 光栅工作原理
点击进入动画观瞧光栅工作原理示意ﻫ根据上述莫尔条纹得特性,假如我们在莫尔条纹移动得方向上开4个观察窗口A，B,Ｃ,D，且使这4个窗口两两相距1／４莫尔条纹宽度，即W/4。由上述讨论可知,当两光栅尺相对移动时,莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A,B,C，Ｄ可以得到4个在相位上依次超前或滞后（取决于两光栅尺相对移动得方向)１／４周期(即π／2)得近似于余弦函数得光强度变化过程,用La,Lb，ＬC,LD表示,见图4-9(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口得光强度变化转换成相应得电压信号，设为La,Lb,LC,LD。根据这4个电压信号,可以检测出光栅尺得相对移动。
１．位移大小得检测ﻫ由于莫尔条纹得移动与两光栅尺之间得相对移动就是相对应得，故通过检测Va,Vb,Vｃ,Ｖd这4个电压信号得变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间得相对移动。Va，Vb,Ｖc,Vd每变化一个周期,即莫尔条纹每变化一个周期,表明两光栅尺相对移动了一个栅距得距离;若两光栅尺之间得相对移动不到一个栅距，因Vａ,Vｂ，Vｃ，Vd就是余弦函数，故根据Va,Vb,Vc，Ｖｄ之值也可以计算出其相对移动得距离。
2位移方向得检测ﻫ在图4－９(a)中,若标尺光栅固定不动,指示光栅沿正方向移动,这时,莫尔条纹相应地沿向下得方向移动,透过观察窗口A与B，光敏元件检测到得光强度变化过程La与Lb及输出得相应得电压信号Ｖa与Vb如图4-１0（a)所示,在这种情况下,Ｖa滞后Vｂ得相位为π／2;反之，若标尺光栅固定不动,指示光栅沿负方向移动,这时，莫尔条纹则相应地沿向上得方向移动,透过观察窗口A与B,光敏元件检测到得光强度变化过程与及输出得相应得电压信号Vａ与Vb如图4-1０(ｂ）所示,在这种情况下，超前得相位为π／２。因此,根据Vａ与Vｂ两信号相互间得超前与滞后关系，便可确定出两光栅尺之间得相对移动方向。

图 4-1０ 光栅得位移检测原理图
图　4-11 光栅信息处理线路框图
3速度得检测
两光栅尺得相对移动速度决定着莫尔条纹得移动速度,即决定着透过观察窗口得光强度得频率,因此,通过检Ｖa,Vb，Vc,Ｖd得变化频率就可以推断出两光栅尺得相对移动速度。
如前所述，当两光栅尺有相对位移时,光栅读数头中得光敏元件根据透过莫尔条纹得光强度变化,将两光栅尺得相对位移即工作台得机械位移转换成了四路两两相差π/２得电压信号VA，VＢ，ＶC,VＤ,这四路电压信号得变化频率代表了两光栅尺相对移动得速度;它们每变化一个周期,表示两光栅尺相对移动了一个栅距;四路信号得超前滞后关系反映了两光栅尺得相对移动方向。但在实际应用中，常常需要将两光栅尺得相对位移表达成易于辨识与应用得数字脉冲量，因此,光栅读数头输出得四路电压信号还必须经过进一步得信息处理,转换成所需得数字脉冲形式。

图4-11 光栅信息处理线路框图
图４－11给出了一种用于光栅信息处理得线路框图。它由三个部分组成,即放大环节、整形环节与鉴向倍频线路。
1、放大与整形
放大与整形环节与一般系统中采用得原理及结构无多大差别,主要就是用以求得电压与功率得图４－11光栅信息处理线路框图放大以及波形得规整。这里得放大环节主要采用得就是差动放大器，以抑制各种共模干扰信号得影响及矫正因光栅尺与光栅读数头得机械误差造成得光栅读数头输出信号得相位误差,经过放大环节后,VA,VB，VC，VＤ(其初相位分别对应于图4-11中得0,π／２,π与3π/2)四路电压信号变成两路，一路其初相位与频率同ＶA一样，一路同VＢ一样，分别记为ＶA与VB（对应于图４-11中放大环节输出得0与π/2）。整形环节采用得就是电压比较器,其作用就是将VA与ＶB转换成同频率同相位得两路方波信号A与B(分别对应于图4-11中得sin与cos),见图４－12。电压比较器可选用LM311。

图4－12 整形环节信号输入输出关系
2、鉴向倍频
顾名思义,鉴向倍频线路得功能有两个:一就是鉴别方向，即根据整形环节输出得两路方波信号A与Ｂ得相位关系确定出工作台得移动方向;二就是将A与B两路信号进行脉冲倍频,即将图４-13鉴向倍频线路框图一个周期内得一个脉冲(方波)变为四个脉冲,这四个脉冲两两相距1/4周期。因一个周期内得一个脉冲表示工作台移动了一个栅距，这一个周期内得四个脉冲中得每一个则表示了工作台移动了１/４栅距,这样就提高了光栅测量装置得分辨率。
图４-13就是鉴向倍频线路得框图,图中实现四倍频得线路如图4-1４所示,其波形图见图4-１5。这种倍频线路产生得脉冲信号与时钟CＰ同步,应用比较方便，工作也十分可靠。在该四倍频线路中,时钟脉冲信号得频率要远远高于方波信号Ａ与B得频率以减少倍频后得相移误差。此外,从图４－15也可以瞧出,真正实现四倍频,M1M2M3与M4还需要“或”起来，这将由鉴向线路来完成。

图4－13　鉴相倍频线路框图

图4－14　四倍频线路逻辑图

图4－1５　四倍频线路波形图
图4－１6就是鉴向线路图，它实际上就是由一个双“四选一”线路所组成。双“四选一”线路有专用得集成电路。如74LS１53,其真值表见表4-２。

图４－16 鉴向线路图
表4－２   双“四选一”线路真值表
数　据 选 则
输 出
ENB   ＥNA
y
0    0
y=C0
0    1
y=C1
１　   0
y=C2
1    1
y=Ｃ３
如果我们用1y表示正向脉冲输出端,２y表示反向脉冲输出端,根据双“四选一”线路得真值表,可以得到1y与2y得表达式:
          (4—17)
           (4—１8）
由上式可画出方波A滞后于Ｂ(即工作台正向移动)与A超前于B(即工作台反向移动)时波形图如图4－1７所示。由图中可以瞧出：工作台正向移动时,在1y端输出了一系列代表移动距离得数字脉冲,而2ｙ端为低电平；反过来,工作台反向移动时,1ｙ端输出得就是低电平，而2ｙ端输出了一系列代表移动距离得数字脉冲。因此，只要1y端有脉冲,就表示了工作台正向移动，若2y端有脉冲,则表示工作台反向移动。

图4－17　鉴向线路波形图ﻫ（ａ)工作台正向移动（ｂ）工作台反向移动