計(jì)量光柵原理基本組成分類和多相信號(hào)獲得方法

　　計(jì)量光柵在數(shù)顯光電檢測(cè)儀器與數(shù)控機(jī)電設(shè)各中得到廣泛應(yīng)用。計(jì)量光柵實(shí)際上就是刻線間隔很�。ū热缑亢撩卓�20、50或100線對(duì)）的標(biāo)尺（長(zhǎng)光柵）或度盤（圓光柵）。它既是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，同時(shí)又能自動(dòng)讀數(shù)。而且還可以利用其光電輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制的目的，因此它的用途越來越廣泛。

　　計(jì)量光柵大多數(shù)是利用兩塊光柵疊合產(chǎn)生的莫爾條紋原理來工作的。兩塊光柵中一塊作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，稱為主光柵。另一塊隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并傳出運(yùn)動(dòng)信息，稱為指示光柵。兩塊光柵疊合時(shí)，使兩者柵線有很小的夾角，就可以得到橫向莫爾條紋（為防止擦傷，兩塊光柵之間應(yīng)有很小的運(yùn)動(dòng)空隙）。如圖1所示，紉、魴為兩塊光柵的柵距（通常取等值，即ω1=ω2＝ω），θ為兩塊光柵柵線間夾角。從圖中可以看出，兩塊光柵疊合的結(jié)果產(chǎn)生了與柵線方向垂直的由透光與不透光部分組成的橫向莫爾條紋。當(dāng)指示光柵沿光方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋便沿y方向移動(dòng)，而且它們之間的移動(dòng)是——對(duì)應(yīng)的，即指示光柵移動(dòng)一個(gè)柵距ω，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度B。因此可以采用光電器件探測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)，從而測(cè)出指示光柵的移動(dòng)量。這就是莫爾條紋的幾何光學(xué)解釋。通常條紋寬度可以調(diào)到10 mm左右（在柵距ω確定后，B僅與e角有關(guān)），這等于將柵距放大了數(shù)百倍乃至上千倍。這無論對(duì)于結(jié)構(gòu)安排（布置光電探測(cè)器）或是測(cè)微細(xì)分，都十分有利。
　　當(dāng)光柵柵距小于0.01 mm（即每毫米刻線數(shù)大于100線對(duì)），比如ω＝0.005 mm（即200線對(duì)／mm）時(shí)，若再用幾何光學(xué)的遮光透光效應(yīng)來解釋莫爾條紋，就得不到令人滿意的結(jié)果。在這種情況下，必須考慮光柵的衍射效應(yīng)（相當(dāng)于多縫衍射）。


計(jì)量光柵讀數(shù)頭的基本組成和分類 

　�、俟鈻抛x數(shù)頭的基本組成部分。光柵讀數(shù)頭由光源1、照明系統(tǒng)2，主光柵3、指示光柵4、光學(xué)系統(tǒng)5和光電接收組件6等部分組成，如圖1所示。
　　光源發(fā)出的光束經(jīng)過照明系統(tǒng)（聚光鏡）后成為均勻的平行光照明主光柵。由于主光柵和指示光柵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（測(cè)量運(yùn)動(dòng)）而輸出交變的莫爾條紋信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)（物鏡）會(huì)聚到光電接收器，并轉(zhuǎn)換成反映莫爾條紋特性的電信號(hào)供光電計(jì)數(shù)及細(xì)分用。
　　1一光源 2一照明系統(tǒng) 3一主光柵 4一指示光柵 5一光學(xué)系統(tǒng) 6一光電接收組件

　�、诠鈻抛x數(shù)頭的分類。光柵讀數(shù)頭的型式很多，按結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)可以分為直讀式、分光式、鏡像式和調(diào)相式等四類。按光柵的工作條件可以分為透射式和反射式兩類。若按光柵的形式可以分為相位型光柵讀數(shù)頭和振幅型（黑白）光柵讀數(shù)頭等。圖2為光柵讀數(shù)頭的分類框圖。

計(jì)量光柵讀數(shù)頭多相信號(hào)的獲得方法 

　　用光電器件探測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)，便可測(cè)出指示光柵的移動(dòng)量。這里有兩個(gè)問題必須解決：一是如何辨別指示光柵的移動(dòng)方向，二是如何對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。通常的辦法是采用在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)均布4個(gè)光電探頭，從而取出四相信號(hào)，然后再用電子信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)辨向和細(xì)分。因?yàn)槿〉枚嘞嘈盘?hào)的方法涉及光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)布局，這里綜合地簡(jiǎn)述一下獲得多相信號(hào)的兩種方法。
　�、偎姆滞哥R法：從原理上說，只要能使莫爾條紋成多個(gè)像的方法都可以獲得多相信號(hào)。用四分透鏡（實(shí)質(zhì)上就是4個(gè)不同軸的透鏡）可以得到莫爾條紋的4個(gè)像，分別用4個(gè)光電組件去接收，就輸出4個(gè)信號(hào)。圖1就是采用四分透鏡獲得四個(gè)光柵信號(hào)的方案。四分透鏡就是將1塊透鏡分隔為4份，如圖1（b）所示，然后重新排列而成。當(dāng)然也可以利用棱鏡和反光鏡獲得分像效果。
　　1一聚光鏡 2一指示光柵 3一四分透鏡 4一狹縫 5一光電二極管

　　②列陣光電組件法：用多個(gè)光電組件排列在一起，去接收同一個(gè)莫爾條紋信號(hào)，就可以得到多個(gè)不同相位的信號(hào)。圖2是采用四極硅光電池的情況。若要取得溝個(gè)信號(hào)，莫爾條紋寬度為B，則單個(gè)光電組件在條紋寬度方向上的尺寸為b=B/n。