光柵是利用光的反射、透射和干涉現(xiàn)象制成的一種光電檢測裝置，有物理光柵和計量光柵。物理光柵刻線比較細密，兩刻線之間距離(稱為柵距)在0．002~0.005mm之間，它通常用于光譜分析和光波波長的測定。計量光柵刻線較粗，柵距在O．004～0.025mm之間，在數(shù)字檢測系統(tǒng)中，通常用于高精度位移的檢測，是數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種檢測裝置 尤其是在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。
光柵位置檢測裝置由光源、長光柵(標尺光柵、短光柵(指示光柵)和光電元件等組成（見圖3—23)。
按照不同的分類方法，計量光柵可分為直線光柵和圓形光柵；透射光柵和反射光柵；增量式光柵和****式光柵等。本節(jié)僅介紹直線光柵。
根據(jù)光柵的工作原理分直線式透射光柵和莫爾條紋式光柵兩類。
一。直線式透射光柵
在玻璃表面刻上透明和不透明的間隔相等的線紋(即黑白相問的線紋)，稱為透射光柵。其制造工藝為在玻璃表面加感光材料或金屬鍍膜上刻成光柵線紋，也可采用刻蠟、腐蝕或涂黑工藝。透射光柵的特點是：光源可以采用垂直入射光，光電接收元件可以直接接收信號，信號幅值比較大，信嗓比高，光電轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)簡單。同時，透射光柵單位長度上所刻的條紋數(shù)比較多，一般可以達到每毫米100條線紋，達到0．01mm的分辨率，使檢測電子線路大大簡化。但其長度不能做得太長，目前可達到2m左右。
如圖3—24所示，它是用光電元件把兩塊光柵移動時產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/FONT>
流變化的方式。長光柵裝在機床移動部件上，稱之為標尺光柵；短光柵裝在機床固定部件上，稱之為指示光柵。標尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當(dāng)標尺光柵相對線紋垂直移動時，光源通過標尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上。若指示光柵的線紋與標尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接收到的光通量最小。若指示光柵的線紋與標尺光柵的線紋完全重合，光電元件接收到的光通量****。因此，標尺光柵移動過程中，光電元件接收到
的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字以顯示位移量。為了辨別運動方向，指示光柵的線紋錯開1／4柵距，并通過鑒向線路進行判別。
由于這種光柵只能透過單個透明間隔，所以光強度較弱，脈沖信號不強，往往在光柵線較粗的場合使用。
二 奠爾條紋式光柵
如果使兩片光柵靠近并稍有傾斜時，在和光柵垂直方向上可以看到非常粗大的條紋，這就叫做莫爾條紋。莫爾條紋式光柵實質(zhì)上是一種增量式編碼器，它是通過形成莫爾條紋、光電轉(zhuǎn)換、辨向和細化等環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字計量的。
1．莫爾條紋的形成
如圖3—25所示，兩塊柵距d相等，黑白寬度相同的光柵，在沿線紋方向上保持一個很小的夾角θ，當(dāng)它們彼此平行相互接近時，由于遮光效應(yīng)或光的衍射作用，便在暗紋相交處形成了多條亮帶。形成亮帶的間距W與線紋夾角θ的關(guān)系為
 
莫爾條紋垂直于兩塊光柵線紋夾角θ的平分線，由于θ角很小，所以莫爾條紋近似垂直于光柵的線紋，故稱為橫向莫爾條紋。當(dāng)兩塊光柵沿著垂直于線紋的方向相對移動時，莫爾條紋沿著垂直干線紋的方向移動。移動的方向取決于兩塊光柵的夾角θ的方向和相對移動的方向。莫爾條紋有以下幾個重要特性：
1)平均效應(yīng)莫爾條紋是由大量的光柵線紋共同作用產(chǎn)生的，對光柵的線紋誤差有平均作用。從而可以在很大程度上消除光柵線紋的制造誤差。光柵越長，參加工作的線紋越多，這種平均效應(yīng)就越大。
2)對應(yīng)關(guān)系如圖3—25所示，當(dāng)光柵l向右移時，莫爾條紋也向下移動，即光柵移動一個柵距d，莫爾條紋移動一個柵距d。
3)放大作用由式(3—12)可知，如果兩塊光柵的夾角θ很小，則莫爾條紋之間的距離W將遠大于光柵的柵距d，所以莫爾條紋起到了放大作用。這使得讀取莫爾條紋的讀數(shù)比讀取光柵線紋的讀數(shù)方便得多。如果柵距d=O．01mm，兩塊光柵的夾角θ=O.001md，則W=10mm，其放大倍數(shù)為1000，因而大大地減輕了檢測電子線路的負擔(dān)。當(dāng)θ接近于0時，莫爾條紋的寬度W大于或等于干涉面的寬度。此時，如果兩個光柵相對移動，干涉面上看不到明暗相間的條紋，只能看到亮帶和
暗帶相互交替地出現(xiàn)。這時的莫爾條紋猶如一個閘門，故稱為光紋莫爾條紋。按照這種原理制成的光柵檢測元件，通常稱為光電脈沖發(fā)生器。
2．光電轉(zhuǎn)換
光柵檢測系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)由光柵讀數(shù)頭完成。最基本的光柵讀數(shù)頭由光源、聚光鏡、指示尺光柵和硅光電池組成，如圖3—26所示。
為了便于說明其工作原理，以光閘莫 爾光柵為例，說明當(dāng)光柵移動一個柵距 時．其輸出波形和兩塊光柵相互位置變化的關(guān)系。如前所述(見圖3—25)，當(dāng)兩塊光柵的刻線重合時，透光最多，光電池輸出的電壓信號****；當(dāng)光柵l向右移動半個柵距時，兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似于0，光電池輸出最小；再移動半個柵距，則兩塊光柵的刻線又重合，光電池輸出又達到****值。這種光柵的遮光作用與光柵的移動距離成線性關(guān)系，所以光電池的光接收量也與光柵的移動距離成線性關(guān)系，即光電池的輸出電壓波形也近似于三角形。但這是一種理想的狀態(tài)，只有在兩塊光柵的距離為O，刻線質(zhì)量極好，而且刻線寬度均勻一致才能達到。實際應(yīng)用過程中，兩塊光柵之間必定
有間隙。由于光的衍射作用和光源燈絲寬度的影響，透過光柵l的光向兩側(cè)發(fā)散，而不是平等前進，因此就不能達到最亮和最黑的狀態(tài)。再加上線紋上有毛刺、不平和彎曲等原因，輸出波形會被削頂、削底成近似的正弦波形和一直流分量的疊加，即
式中，d為柵距；x為標尺光柵和指示光柵之間的相對位置；U0為直流分量；U1為交流分量的****值；U為輸出電壓。
由此可見，硅光電池上輸出電壓的大小反映了標尺光柵和指示光柵之間的相對位置關(guān)系，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。
三 光柵檢測裝置
1．光柵讀數(shù)頭
光柵讀數(shù)頭由光源、指示光柵和光電元件組合而成，是光柵與電學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的部件。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式很多，但就光路分，有以下幾種：
(1)分光讀數(shù)頭。其原理如圖3—27所示，從光源Q發(fā)出的光，經(jīng)透鏡L1，照射到光柵G1、G2上，形成莫爾條紋，由透鏡L2聚焦，并在焦平面上安置光電元件P接受莫爾條紋的明暗信號。這種光學(xué)系統(tǒng)是莫爾條紋光學(xué)系統(tǒng)的基本型，光柵刻線截面為鋸齒形，光源Q的傾角是根據(jù)光柵材料的折射率與入射光的波長確定的。
這種光柵的柵距較小(O 004ram)，因此兩光柵之間的間隙也小，主要用在高精度坐標鏜床和精密測量儀器上。
(2)垂直入射讀數(shù)頭。這種讀數(shù)頭主要用于每毫米25～125條刻線的玻璃透射光柵系統(tǒng)，如圖3—28所示，從光源e經(jīng)透鏡L使光束垂直照射到標尺光柵G1然后通過光柵G2由光電元件P接收。兩塊光柵的距離τ根據(jù)有效光波的波長和光柵柵距W決定，即
使用時再作微量調(diào)整。
上述光柵只能用于增量式測量方式，有的光柵讀數(shù)頭設(shè)有一個****零點，當(dāng)停電或其他原因記錯數(shù)字時，可以重新對零。它是在兩光柵上分別有一小段光柵，當(dāng)這兩小段光柵重合時發(fā)出零位信號，并在數(shù)字顯示器中顯示。
2．辨向方法
在光柵檢測裝置中，將光源的平行光調(diào)制后作用于光電元件上，從而得到與位移成比例的電信號。當(dāng)光柵移動時，從光電元件上將獲得一正弦電流。若僅用一個光電元件檢測光柵的莫爾條紋變化信號，只能產(chǎn)生一個正弦波信號用作計數(shù)，不能分辨運動方向。為了辨別方向，如圖3—29a所示，安置兩只光電元件(或設(shè)置兩個狹縫sl、S2，讓光線透過它們分別為兩個光電元件接收)，彼此相距1／4節(jié)距。當(dāng)光柵移動時，從兩只光電元件分別得到正弦和余弦的電流波形，如圖3—29b所示由于莫爾條紋通過光電元件的時間不同，兩信號將有90。或l／4周期的相位差而信號的超前與落后，取決于光柵的移動方向。這樣，兩信號經(jīng)過放大整形和微分等電子判向電路，即可判別它們的超前與落后，從而判別了機床的運動方向。例如，當(dāng)標尺光柵向右運動時，莫爾條紋向上移動，信號ID2超前l(fā)／4周期，反之當(dāng)標尺光柵向左移動時，莫爾條紋向下移動，信號ID1，超前1／4周期。
3．分辨率的提高
一種光柵測量裝置的邏輯框圖如圖3—30所示。
為了提高分辨率，線路采用了4倍頻的方案，在一個莫爾條紋節(jié)距內(nèi)安裝了4只光電元件(如硅光電池)，每相
鄰兩只的距離為1／4節(jié)距。4倍頻電路的波形圖如圖3—31所示。
當(dāng)指示光柵和標尺光柵相對移動時，四個硅光電池P1、P2、P3、P4產(chǎn)生四路相差90°相位的正弦信號。．兩組相差180°的兩個正余弦信號l、3和2、4分別送兩個差動放大器，輸出經(jīng)放大整形后，得兩路相差90°的方波信號A和B。A和B兩路方波一方面直接進微分器 微分后，得到前沿的兩路尖脈沖A′和B′；另一方面經(jīng)反向器，得到分別與A和B相差180。的兩路等寬脈沖c和D(和D再經(jīng)微分器微分后，得兩路尖脈沖c′和D′。四路尖脈沖按相位關(guān)系經(jīng)與門和A、B、c、D相與，再輸出給或門，輸出正反向信號，其中A′B、AD′、c′DB′c分別通過Y1、Y2、Y3、Y4輸出給或門H1，得正向脈沖，而Bc、AB、AD、cD通過Y5、Y6、Y7、Y8輸出給或門H2，得反向脈沖。當(dāng)正向運動時，H1有脈沖信 號輸出，H2則保持低電平；而反向運動時，H2有脈沖信號輸出，H1則保持低電平。這樣，當(dāng)柵距為1／50mm(20μm)時，4倍頻后每個脈沖當(dāng)量為5μm，即分辨率 提高了4倍。
4倍頻波形 光柵輸出給數(shù)控裝置的信號有兩種，方波信號和正弦波信號。對方波信號，可進行2倍頻和4倍頻處理，但****為4倍頻；對連續(xù)變化的正弦波信號，可采用相位跟蹤細分，進一步提高分辨率。其原理是將輸出信號與相對相位基準信號比較，當(dāng)相位差超過一定門檻時，移相脈沖門輸出移相脈沖同時使相對相位基準信號跟蹤測量信號變化。這樣每一移相脈沖使相對相位基準移
相(360／n)°，即可實現(xiàn)n倍細分，有8倍頻、10倍頻、20倍頻或更高。
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