柵式傳感器的測量電路

1）光電轉換

   主光柵和指示光柵做相對移動產生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經過轉換電路才能將光信號轉換成電信號。光柵傳感器的光電轉換系統由聚光鏡和光敏元件組成，如圖14-5（a）。當兩塊光柵做相對移動時，光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化，如圖14-5（b）所示。在a處，兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大；c處由于光被遮去一半，光強減小；d處的光全被遮去而成全黑，光強為零；若光柵繼續移動，透射到光敏元件上的光強又逐漸增大，因而形成了如圖14-5（b）所示的輸出波形。

  光敏元件輸出的波形可見如下公式：

2）辨向原理

  為了辨別主光柵是向左還是向右移動，僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無法辨別的，因此，在原來的莫爾條紋上再駕駛室一條莫爾條紋，使兩個莫爾條紋信號相差π/2相位。實現的方法是在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，如圖14-6所示。

  兩種信號經整形后得到方波U₁’和U₂’。當主光柵右移（見圖b、d）時，U₁’的微弱信號與U₂’相與得到正向移動脈沖，從與門Y₁輸出；而U₁’倒相后微分，在與門Y₂相與，由于在U₁’的微分脈沖出現時，U₂’是低電位，故Y₂無輸出脈沖。當主光柵左移（見圖c、d）時，U₁信號超前U₂信號π/2相位，U₁’的倒相方波經微分后，在與門Y₂上相與；U₁’微分信號與U₂’在與門Y₁上相與的結果正好和右移情況相反，而Y₁無脈沖信號輸出，Y₂有信號脈沖輸出。這樣就實現了主光柵左右移動的方向辨別。

3）細分原理

  如果僅以光柵的柵距做其分辨單位，只能讀到證書莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1μm，勢必要求每毫米刻線1萬條，這是目前工藝水平無法實現的。因此，只能在有合適的光柵柵距的基礎上，對柵距進一步細分，才可能獲得更高的測量精度。常用的細分方法有倍頻細分法、電橋細分法等。這里介紹四倍頻細分法，在一個莫爾條紋寬度上并列放置了4個光電元件，如圖14-7（a）所示得到相位分別相差π/2的四個正弦周期信號。用適當電路處理這一系列信號，使其合并得到如圖14-7(b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應，則電脈沖的周期為1/4個摩爾條紋寬度。用計數器對這一系列脈沖信號技術，就可以讀到1/4個莫爾條紋寬度的位移量，這樣便得到光柵固有分辨率的4倍。此種方法稱為四倍頻細分法。若再增加光敏元件，同理可以進一步提高測量分辨率。

4）磁柵傳感器的數字測量原理

  在實際應用中，一般采用兩個多間隙靜態磁頭來讀取磁柵上的磁信號。若兩磁頭間距為（n為整數），那么，兩激磁信號的相差為π/4。由前述內容可知，兩磁頭輸出信號相差為π/2.若兩磁頭的激磁繞組加同樣的正弦激磁信號，則兩磁頭的輸出信號為

經濾除高頻載波后，得到與位移量x成比例的信號為

U1’、U2’是與位移x成比例的信號，經過適當處理后便可得到位移量，這就是所謂的鑒幅法。

若激磁繞組上施加相位差為π/4的正弦激勵信號，或將輸出信號移相π/2，則兩磁頭輸出信號為