柵式傳感器的測量電路

1）光電轉(zhuǎn)換

   主光柵和指示光柵做相對移動(dòng)產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖14-5（a）。當(dāng)兩塊光柵做相對移動(dòng)時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)減小；d處的光全被遮去而成全黑，光強(qiáng)為零；若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光敏元件上的光強(qiáng)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(dòng)，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(gè)莫爾條紋信號相差π/2相位。實(shí)現(xiàn)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(jīng)整形后得到方波U₁’和U₂’。當(dāng)主光柵右移（見圖b、d）時(shí)，U₁’的微弱信號與U₂’相與得到正向移動(dòng)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(xiàn)時(shí)，U₂’是低電位，故Y₂無輸出脈沖。當(dāng)主光柵左移（見圖c、d）時(shí)，U₁信號超前U₂信號π/2相位，U₁’的倒相方波經(jīng)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(jié)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(shí)現(xiàn)了主光柵左右移動(dòng)的方向辨別。

3）細(xì)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(shí)現(xiàn)的。因此，只能在有合適的光柵柵距的基礎(chǔ)上，對柵距進(jìn)一步細(xì)分，才可能獲得更高的測量精度。常用的細(xì)分方法有倍頻細(xì)分法、電橋細(xì)分法等。這里介紹四倍頻細(xì)分法，在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置了4個(gè)光電元件，如圖14-7（a）所示得到相位分別相差π/2的四個(gè)正弦周期信號。用適當(dāng)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(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號的零點(diǎn)相對應(yīng)，則電脈沖的周期為1/4個(gè)摩爾條紋寬度。用計(jì)數(shù)器對這一系列脈沖信號技術(shù)，就可以讀到1/4個(gè)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(xì)分法。若再增加光敏元件，同理可以進(jìn)一步提高測量分辨率。

4）磁柵傳感器的數(shù)字測量原理

  在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用兩個(gè)多間隙靜態(tài)磁頭來讀取磁柵上的磁信號。若兩磁頭間距為（n為整數(shù)），那么，兩激磁信號的相差為π/4。由前述內(nèi)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(jīng)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(jīng)過適當(dāng)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(lì)信號，或?qū)⑤敵鲂盘栆葡唳?2，則兩磁頭輸出信號為