光柵感測器的結構和工作原理

光柵式感測器的基本原理是利用光柵的莫爾條紋現象。

如下圖所示，光柵 1類似於長刻線尺，稱為標尺光柵（也稱主光柵），它可以移動；光柵 2只取一小塊，稱為指示光柵，它固定不動。也可相反地使指示光柵移動。兩者柵距和刻線寬度均相同，使刻線面相對疊合並在中間留有間隙 d，便組成光柵副。

將其置於由光源和透鏡形成的平行光束的光路中，若二光柵柵線之間有很小的夾角θ，則在近似垂直於柵線的方向上顯示比柵距 W寬得很多的明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”，其訊號光強分佈如圖 中曲線所示，中間為亮帶，上下兩條為暗帶，當標尺光柵沿垂直於柵線的x方向每移動一個柵距W時，莫爾條紋近似沿柵線方向移過一個條紋間距。用光電元件接收莫爾條紋訊號並經電路處理後，用計數器可得到標尺光柵移過的距離。

在實際使用中，一般把光源、指示光柵和光電元件組合在一起，稱為讀數頭。讀數頭的結構形式很多，就其光路可分為以下幾種。

（1）分光讀數頭

它的工作原理如下圖所示，光源 Q發出的光經透鏡L1 變成平行光，照射到光柵 G1 和 G2 上，形成莫爾條紋；透鏡L2把莫爾條紋聚焦；在光闌板 S之後的焦面上，光電元件P接收莫爾條紋訊號。這種光學系統是莫爾條紋光學系統的基本型。因為光柵間距比較小，兩塊光柵之間的間隙也小，所以不能在光柵表面粘玻璃保護層。

在實際使用中，如下圖所示，在光柵 G 與G 之間裝上等倍投影透鏡 L3和L4使 G1 的像以同樣大小的像投影在G2 上形成莫爾條紋，於是拉長了G 1和 G2 之間的距離。這種讀數頭主要用在高精度座標控制系統和精密測量儀器上。

（2）垂直入射讀數頭

這種讀數頭主要是用於每毫米 25～125 線的玻璃透射光柵系統。下圖為垂直入射讀數頭的結構示意圖，光源1透過透鏡 2變成平行光照射在標尺光柵 3 和指示光柵4 上，形成莫爾條紋，然後由光電池5接受訊號。圖中8 是滾動軸承，它保證了標尺光柵和指示光柵之間恆定的間隙。標尺光柵和讀數頭分別裝在固定部件和移動部件上，標尺光柵用壓板7夾緊，讀數頭用螺釘6 固定。其精度可達 0。001mm/1000mm。

（3）反射讀數頭

這種讀數頭主要用於每毫米 25～50 線以下的如下圖所示反射光柵系統。圖中β為入射角（一般為30°，反射光束透過指示光柵 G2 形成莫爾條紋，然後經透鏡Lz並由光電元件 P接收訊號。

光柵只能用於增量測量方式，目前有的光柵讀數頭設有一個絕對零點，這樣由於停電或其他原因造成記錯數字時，可以重新對零。它是在標尺光柵上有一小段光柵，在指示光柵上也有相應的一小段光柵，當這兩小段光柵重疊時發出零位訊號，並在數字顯示器中顯示出來。