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1、二、工作原理常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。图4-9是其工作原理图。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现 暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质：(1)
2、 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。(2) 若用w表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，e表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为 W=d/sine(415)当e角很小时，取sinee，上式可近似写成W=d / e(416)若取d=0.01mm, e=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象, 就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。(3) 由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均 效应，能消除光栅栅距不均
3、匀所造成的影响。(4) 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d,莫尔条纹便相应移动一个 莫尔条纹宽度W,其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向 也随之改变。根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口 A, B, C, D,且使这4个窗口 两两相距1 /4莫尔条纹宽度，即W/4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个 观察窗口 A, B, C, D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1 /4周期(即n / 2)的近似于余弦函数的光强度
4、变化过程，用La,Lb,Lc,Ld表示，见图4-9(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件 把透过观察窗口的光强度变化La,Lb,Lc,Ld转换成相应的电压信号，设为Va,Vb,Vc,Vd。根据这4个电压信号， 可以检测出光栅尺的相对移动。1.位移大小的检测由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的,故通过检测 Va,Vb,Vc,Vd 这 4 个电压信号的变化情 况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。Va,Vb,Vc,Vd每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因Va,Vb,Vc,Vd是余弦函数，故根据
5、V a,Vb,Vc,Vd 之值也可以计算出其相对移动的距离。2 位移方向的检测在图4-9(a)中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，透过 观察窗口 A和B,光敏元件检测到的光强度变化过程La和Lb及输出的相应的电压信号Va和Vb如图4T0(a)所示，在 这种情况下，滞后的相位为n/2 ；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿 向上的方向移动，透过观察窗口 A和B,光敏元件检测到的光强度变化过程La和Lb及输出的相应的电压信号Va和Vb 如图4-10(b)所示，在这种情况下，超前的相位为n/2。因此，根据Va和Vb两
6、信号相互间的超前和滞后关系，便可 确定出两光栅尺之间的相对移动方向。图 4-11 光栅信息处理线路框图3 速度的检测两光栅尺的相对移动速度决定着莫尔条纹的移动速度，即决定着透过观察窗口的光强度的频率，因此， 通过检测Va,Vb,Vc,Vd的变化频率就可以推断出两光栅尺的相对移动速度。三、 光栅信息处理及应用如前所述，当两光栅尺有相对位移时，光栅读数头中的光敏元件根据透过莫尔条纹的光强度变化，将两光栅尺 的相对位移即工作台的机械位移转换成了四路两两相差兀/ 2的电压信号Va,Vb,Vc,Vd,这四路电压信号的变化频率 代表了两光栅尺相对移动的速度；它们每变化一个周期，表示两光栅尺相对移动了一个栅
7、距；四路信号的超前滞后 关系反映了两光栅尺的相对移动方向。但在实际应用中，常常需要将两光栅尺的相对位移表达成易于辨识和应用的 数字脉冲量，因此，光栅读数头输出的四路电压信号还必须经过进一步的信息处理，转换成所需的数字脉冲形式。图 4-11 给出了一种用于光栅信息处理的线路框图。它由三个部分组成，即放大环节、整形环节和鉴向倍频线路。1 、放大与整形放大与整形环节与一般系统中采用的原理及结构无多大差别，主要是用以求得电压与功率的图 4-11 光栅信息处理 线路框图放大以及波形的规整。这里的放大环节主要采用的是差动放大器，以抑制各种共模干扰信号的影响及矫正因 光栅尺和光栅读数头的机械误差造成的光栅读
8、数头输出信号的相位误差，经过放大环节后,Va,Vb,Vc,Vd（其初相位分别 对应于图4-11中的0,n/2,和n 3 / 2）四路电压信号变成两路，一路其初相位和频率同Va 样，一路同Vb 样， 分别记为Va和Vb （对应于图4-11中放大环节输出的0和n/2）。整形环节采用的是电压比较器，其作用是将Va和V b转换成同频率同相位的两路方波信号A和B（分别对应于图4-11中的sin和cos），见图4-12。电压比较器可选用LM 311 。图4-12整形环节信号输入输出关系2鉴向倍频顾名思义，鉴向倍频线路的功能有两个：是鉴别方向，即根据整形环节输出的两路方波信号 A 和 B 的相位关 系确定出
9、工作台的移动方向；二是将 A 和 B 两路信号进行脉冲倍频，即将图 4-13 鉴向倍频线路框图个周期内的 个脉冲（方波） 变为四个脉冲，这四个脉冲两两相距 1/ 4 周期。因个周期内的个脉冲表示工作台移动了个 栅距，这个周期内的四个脉冲中的每个则表示了工作台移动了 1/ 4 栅距，这样就提高了光栅测量装置的分辨 率。图 4-13 是鉴向倍频线路的框图，图中实现四倍频的线路如图 4-14 所示，其波形图见图 4-15。这种倍频线路 产生的脉冲信号与时钟CP同步，应用比较方便，工作也十分可靠。在该四倍频线路中，时钟脉冲信号的频率要远 远高于方波信号 A 和 B 的频率以减少倍频后的相移误差。此外，
10、从图 4-15 也可以看出，真正实现四倍频， M1M2M3 和 M4 还需要“或”起来，这将由鉴向线路来完成。图 4-14 四倍频线路逻辑图数据选则输出ENBENAy00y=C001y=C110y=C211y=C3表 4-2 双“四选一”线路真值表图4-16是鉴向线路图$四选一电路。如 74LS153，四选一 ”线路有专用的集成如果我们用1y表示正向脉冲输出端，2y表示反向脉冲输出端，根据双四选一线路的真值表，可以得到1y和2y的表达式：1y=ENAgENBg1C +ENAgENBg1C +ENAgl?NW2 +ENAgENBg1C418)_0_123=BgAgM +BgAgM +BgAgM
11、+BgAgM4 123 2y=ENAgENBg2C +ENAgENBg2C +ENAgENgg2C +ENAgENBg2C0123=ggAgM+BgAiM +BgAgM +BgAgMi2431由上式可画出方波A滞后于B （即工作台正向移动）和A超前于B （即工作台反向移动）时波形图如图4-17所示。 由图中可以看出：工作台正向移动时，在1y端输出了一系列代表移动距离的数字脉冲，而2y端为低电平；反过来, 工作台反向移动时，1y端输出的是低电平，而2y端输出了一系列代表移动距离的数字脉冲。因此，只要1y端有脉 冲，就表示了工作台正向移动，若2y端有脉冲，则表示工作台反向移动。鉴向线路波形图动（b）工作台反向移动
