计量光栅（光栅位移传感器）工作原理与结构

计量光栅（光栅位移传感器）工作原理与结构

本文件详细介绍了计量光栅（光栅位移传感器）的定义、分类、结构、工作原理（莫尔条纹现象）及其核心特点（位移放大作用、误差平均效应）。计量光栅利用光栅的莫尔条纹现象，以线位移和角位移为基本测试内容，广泛应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、大规模集成电路制造设备及检测仪器等。

分类

计量光栅按应用范围分为透射光栅和反射光栅；按用途分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅；按表面结构分为幅值（黑白）光栅和相位（闪耀）光栅。

工作原理

两块具有相同栅线宽度和栅距的长光栅叠合，中间留有很小间隙，并使栅线之间形成一个小夹角θ，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的莫尔条纹。光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距B_H。

位移放大作用

莫尔条纹间距B_H与栅距W和夹角θ的关系为：B_H ≈ W/θ。θ越小，B_H越大，相当于将栅距放大了1/θ倍。例如50线/mm光栅，θ=0.1°时，放大倍数约573倍。

莫尔条纹移动方向

固定一个光栅，另一个光栅向右移动时，莫尔条纹向上移动；向左移动时，莫尔条纹向下移动。可用于判别光栅运动方向。

误差平均效应

光电元件接收的是进入其视场的所有光栅刻线的总光能量，个别刻线的加工误差对整体影响很小。整体误差Δ = ±δ₀/√n，其中n为光电元件能接收到的光栅刻线条数。例如50线/mm光栅，4mm宽光电元件接收200条刻线，单线偏移1μm时整体偏差仅约0.07μm。

组成

计量光栅由光电转换装置（光栅读数头）和光栅数显表两部分组成。光电转换装置主要包括主光栅（确定测量范围）、指示光栅（检取信号）、光路系统和光电元件等。

信号输出

光电元件将莫尔条纹的光强变化转换为电信号，输出电压近似为正弦信号：u = U₀ + Uₘ sin(π/2 + 2πx/W)。当主光栅移动x mm时，指示光栅上的莫尔条纹移动50x条（对应脉冲数p），位移x = p/n（n为光栅刻线密度）。