详细解析光栅传感器的结构及工作原理

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅式传感器（optical grating transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

光栅传感器的结构及工作原理

光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个主要部分构成。

1、光源：钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件组合使用时，转换效率低，使用寿命短。半导体发光器件，如砷化镓发光二极管，可以在 范围内工作，所发光的峰值波长为 ，与硅光敏三极管的峰值波长接近，因此，有很高的转换效率，也有较快的响应速度。

2、光栅付：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。主光栅和指示光栅相互重叠，但又不完全重合。两者栅线间会错开一个很小的夹角 ，以便于得到莫尔条纹。一般主光栅是活动的，它可以单独地移动，也可以随被测物体而移动，其长度取决于测量范围。指示光栅相对于光电器件而固定。

3、通光孔：通光孔是发光体与受光体的通路，一般为条形状，其长度由受光体的排列长度决定，宽度由受光体的大小决定。它是帖在指示光栅板上的。

4、受光元件：受光元件是用来感知主光栅在移动时产生莫尔条纹的移动，从而测量位移量。在选择光敏元件时，要考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性、体积等因素。

将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图所示。

当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条／mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条／mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。

在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ（单位为rad）之间的关系为

（K称为放大倍数）。

当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由上述公式可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1／ θ倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。

莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。