光栅传感器的工作原理

光栅传感器的工作原理

光栅数字传感器，通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成，如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1（主光栅）和指示光栅2组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。

1.莫尔条纹

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12.1.3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。

莫尔条纹有如下几个重要特性：

（1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应

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。

（2）莫尔条纹具有位移放大作用

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，由式（12.1.1）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。例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573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。（3）莫尔条纹具有误差平均效应

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。

（4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化

由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。

当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。

2．光电转换

主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件（如硅光电池等）将光信号转换成电信号。

在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。光电器件的输出电压

通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为

旋转式光电编码器的设计动向

作者：上海工业自动化仪表研究所张永江

光电编码器是机械运动控制中测量转动物体位置

（角度）与速度的传感器，它有旋转式与直线式两种，其中旋转式光电编码器由于精度高、安装方便，已获得广泛应用。随着运动控制产品的快速发展，我国对高精度的编码器需求大，但主要依靠进口。目前，活跃在我国编码器市场上的主要是外商，如德国的海德汉（Heidenhain）、梅尔(Meyle)、倍加福(P+F)、图尔克（Turck），美国（GPI）,日本多摩川，英国雷尼绍（Renishaw）,韩国（Metronix）、奥托尼克斯（Autonics）,瑞士堡盟（Baumer）,土耳其（OPKON）,以及我国的中达电通等。纵观近几年来旋转式光电编码器的发展，其设计动向列举以下4方面进行阐述。

第一，设计新产品。首先是发展基型产品，上述编码器厂商先以设计、生产增量式编码器和单圈绝对式旋转编码器居多，近年来随着应用领域的拓展，设计多圈绝对式编码器与混合式编码器增多。如多摩川推出的混合式编码器，其包含增量式编码器和输出24位编码信号的单圈绝对式编码器，具有磁极定位功能，在用于伺服运动控制时，能快速检测伺服电机转子磁极位置角，特别对大功率伺服电机既能提高初始化的定位精度，又可使伺服电机提高输出力矩，同时对位置控制和速度计算也都极为方便。其次是设计专用产品。例如，中达电通（台达集团）设计了CNC专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器，新推出CNC主轴专用的CS7系列编码器，设计的结构紧凑、外型小巧，分辨率为1024p/r，采用线驱动输出，转速提升到8000r/min,从而可配合机床行业主轴的高转速，信号输出的频率响应为300KHZ,可提高数控系统的整体响应速度，以达到高精度控制的要求。宜科（天津）电子公司设计了电梯专用编码器和重工业用的重载型增量式编码器，后者据称采用最新的欧洲电气和机械设计技术，使其可承受最大轴向负荷为80N、最大径向负荷150N,最大转速为6000r/min,轴承寿命达109转，工作温度20~90℃。倍加福针对我国风力发电的巨大潜在市场，设计了风力发电用的编码器。倍加福、图尔克等还设计了防爆型编码器，有了3类产品：（1）EExd隔爆型，这类编码器设计的外壳坚固，若有可然性气体进入编码器内被电火花点燃产生爆炸，其火焰被限制在机壳内，不危机外部环境安全；（2）EExi本安型，这种编码器的设计是限制电路的电流与电压，使电路产生的任何火花或热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境；（3）EExna无火花型，这是最新的防爆技术，用这种技术设计的编码器在正常运行时不产生火花和电弧，从而保证环境安全。

第二，优化产品结构。旋转式光电编码器由光路、电路与机械3部分组成，编码器生产厂非常注重这3部分的设计与制作。

（1）光路系统：一是光源采用放光二级管LED，设计光聚焦系统，使LED发射的光成为平行光束，垂直地照射到旋转码盘（动光栅）与固定码盘（定光栅）上，穿过这两个码盘上透光缝隙的光被光敏二极管吸收后输出模拟电信号给转换电路进行信号处理。由于光路系统对烟雾、尘埃、水蒸气、机械振动等很敏感，所有一般都设计严密的防护措施，目前光学旋转编码器设计的防护等级最高为IP65左右，最高工作温度85℃左右。二是码盘材质的选用，有玻璃、塑料、不锈钢，已适合不同的需求，其中玻璃编码盘精度高，热稳定性好，但耐振差;塑料与不锈钢的精度与热稳定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作经济型的。码盘上的光栅一般用沉积很薄的刻线（如在玻璃码盘上）、机械刻划或光刻法制作。三是光栅的设计，增量式与绝对式完全不同。增量（正交）式编码器：在旋转码盘边缘部分径向设计有许多均匀分布的透光缝隙，他们的宽度与间距相等，其设计透光缝隙的多少与加工质量将直接影响编码器的测量精度；在固定码盘上有A、B、Z三条缝隙（转动码盘有一条缝隙与Z相对应），A、B使输出两路正交（电角度相差90°）的方波脉冲信号，经计算用于测得电机的转速、位置（角度）和转向判别；Z相信号用作参考零位，每转发出一个脉冲用于电机转子定位、累计转数。绝对型编码器：n位绝对型编码器在旋转码盘上就设计有n条同心圆码道，码型采用格雷（GRAY）码设计，即从码盘边缘向中心的n条码道上，透光的扇形区数目按20、21、222n-1设计、制作；固定码盘上只有径向一条透光缝隙，其背后对应每一码道有一光敏二极管，输出的n位数字码（格雷码可转换成二进制码或BCD码）代表转轴某一时刻的绝对位置，特别适用于监测上电和掉电期间的转轴位置。这种编码器，一般厂商设计码型时之所以采用格雷码，是因其两个相邻数之间只有一个数位发生变化，误差小；若用二进制码型，虽其设计简单，但制作、安装要求十分严格，否则易出现两位数误差。

(2)电路部分：包括编码器主电路与输出电路。光敏二极管输出的信号电平较低，波形也不规则，为了进行控制、信息处理与远传，须经转换电路发大、整形。以前转换电路设计采用分立元件，零部件多、结构复杂、价贵。现在已有不少厂商如倍加福等将主电路集成到一片专用集成电路（ASIC）上，采用ASIC设计，不仅抗干扰、耐环境条件变化、提高检测精度与速度，而且由于零部件减少、结构紧凑简单，使绝对编码器的价格下降，据介绍，一般比老型号约降价20％多。输出电路形式有多种，Metronix等公司设计了五种类型：集电极开路输出，电压输出，推挽式输出，线驱动输出，互补型输出。为了降低噪音干扰，提高输出的可靠性，可用推挽式或互补型输出；当需要长距离传输时，可用线驱动输出或互补型输出。