栅式传感器的测量电路

1）光电转换

   主光栅和指示光栅做相对移动产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如图14-5（a）。当两块光栅做相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化，如图14-5（b）所示。在a处，两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去而成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如图14-5（b）所示的输出波形。

  光敏元件输出的波形可见如下公式：

2）辨向原理

  为了辨别主光栅是向左还是向右移动，仅有一条明暗交替的莫尔条纹是无法辨别的，因此，在原来的莫尔条纹上再驾驶室一条莫尔条纹，使两个莫尔条纹信号相差π/2相位。实现的方法是在相隔1/4条纹间的位置上安装两只光敏元件，如图14-6所示。

  两种信号经整形后得到方波U₁’和U₂’。当主光栅右移（见图b、d）时，U₁’的微弱信号与U₂’相与得到正向移动脉冲，从与门Y₁输出；而U₁’倒相后微分，在与门Y₂相与，由于在U₁’的微分脉冲出现时，U₂’是低电位，故Y₂无输出脉冲。当主光栅左移（见图c、d）时，U₁信号超前U₂信号π/2相位，U₁’的倒相方波经微分后，在与门Y₂上相与；U₁’微分信号与U₂’在与门Y₁上相与的结果正好和右移情况相反，而Y₁无脉冲信号输出，Y₂有信号脉冲输出。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别。

3）细分原理

  如果仅以光栅的栅距做其分辨单位，只能读到证书莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1μm，势必要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。因此，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分，才可能获得更高的测量精度。常用的细分方法有倍频细分法、电桥细分法等。这里介绍四倍频细分法，在一个莫尔条纹宽度上并列放置了4个光电元件，如图14-7（a）所示得到相位分别相差π/2的四个正弦周期信号。用适当电路处理这一系列信号，使其合并得到如图14-7(b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期为1/4个摩尔条纹宽度。用计数器对这一系列脉冲信号技术，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这样便得到光栅固有分辨率的4倍。此种方法称为四倍频细分法。若再增加光敏元件，同理可以进一步提高测量分辨率。

4）磁栅传感器的数字测量原理

  在实际应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号。若两磁头间距为（n为整数），那么，两激磁信号的相差为π/4。由前述内容可知，两磁头输出信号相差为π/2.若两磁头的激磁绕组加同样的正弦激磁信号，则两磁头的输出信号为

经滤除高频载波后，得到与位移量x成比例的信号为

U1’、U2’是与位移x成比例的信号，经过适当处理后便可得到位移量，这就是所谓的鉴幅法。

若激磁绕组上施加相位差为π/4的正弦激励信号，或将输出信号移相π/2，则两磁头输出信号为