计量光栅（二）：辨向与细分原理

计量光栅（二）：辨向与细分原理

本文件是《传感器与检测技术》课程中关于计量光栅的续篇，重点介绍计量光栅实现高精度位移测量的两项关键技术：辨向原理和细分技术。

辨向原理

光电转换装置只能产生正弦信号，实现确定位移量的大小。为了进一步确定位移的方向，需要引入辨向技术。

辨向原理的核心是在相隔莫尔条纹间距 $B_H/4$ 的位置上放置两个光电元件1和2，得到两个相位差 $\pi /2$ 的正弦信号 $u_1$ 和 $u_2$。经过整形后得到两个方波信号 $u_1\text{'}$ 和 $u_2\text{'}$。

当光栅沿A方向移动时，$u_1\text{'}$ 经微分电路后产生的脉冲正好发生在 $u_2\text{'}$ 的“1”电平时，经与门Y1输出一个计数脉冲；而 $u_1\text{'}$ 经反相并微分后产生的脉冲则与 $u_2\text{'}$ 的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。

当光栅沿 $\overline{A}$ 方向移动时，$u_1\text{'}$ 的微分脉冲发生在 $u_2\text{'}$ 为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而 $u_1\text{'}$ 的反相微分脉冲则发生在 $u_2\text{'}$ 的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。

这样，$u_2\text{'}$ 的电平状态作为与门的控制信号，用于控制在不同的移动方向时 $u_1\text{'}$ 所产生的脉冲输出。根据Y1、Y2的脉冲输出情况判定移动方向，从而正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。

细分原理

光栅测量原理以移过的莫尔条纹数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率，测量比光栅栅距更小的位移量，可以采用细分技术。

细分是为了得到比栅距更小的分度值，即在莫尔条纹信号变化一个周期内发出若干个计数脉冲，以减小每个脉冲相当的位移，相应地提高分辨率。如一个周期内发出N个脉冲，计数脉冲频率提高到原来的N倍，每个脉冲相当于原来栅距的1/N，则分辨率将提高到原来的N倍。

细分方法可以采用机械或电子方式实现，常用的有倍频细分法和电桥细分法。利用电子方式可以使分辨率提高几百倍甚至更高。

应用

光栅传感器测量精度高，动态测量范围广，可进行非接触测量，易实现系统的自动化和数字化，在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。