摘要：縮微計量光柵傳感器是一種新型光柵傳感器，它具有體積小、成本低、使用簡單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，除了用于傳統(tǒng)工業(yè)測量和控制外，還可以應(yīng)用在高精度鼠標(biāo)、計價秤、智能玩具等新產(chǎn)品上。該成果已獲國家專利（ZL98118174.0）。本文介紹了該傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)指標(biāo)以及應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：光柵；傳感器；縮微；莫爾條紋；位移檢測
中圖分類號：TP212.14  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
一、前言
光柵測量具有測量精度高、測量范圍大、數(shù)字（脈沖）量輸出的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于數(shù)控加工設(shè)備、光刻設(shè)備以及其它需要對位移或轉(zhuǎn)角做高精度檢測的場合。但由于測量精度高、光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜、光柵安裝配合尺寸嚴(yán)格，所以通常情況下只能用于高端領(lǐng)域，使這種優(yōu)秀的測量手段難以獲得普及應(yīng)用。
縮微光柵傳感器是一種新型的低成本、高可靠性、易使用的微型數(shù)字化光電傳感器，它用國家發(fā)明專利技術(shù)制造的縮微光柵作為傳感器的光柵材料，通過光電元器件直接檢測光柵相對運(yùn)動產(chǎn)生的干涉莫爾條紋，輸出對應(yīng)的光電脈沖，實現(xiàn)對位移或轉(zhuǎn)角的測量。該傳感器可以作為通用型、普通精度的位移和轉(zhuǎn)角傳感器，廣泛用于儀器儀表、工業(yè)控制領(lǐng)域。由于該傳感器價格極低，還可以用于智能玩具、計算機(jī)外設(shè)產(chǎn)品中，因此具有良好的應(yīng)用前景。
縮微光柵傳感器主要包括長光柵位移計量傳感器和圓光柵轉(zhuǎn)角計量傳感器，下面以位移計量光柵傳感器為例討論其結(jié)構(gòu)原理和應(yīng)用方法。
 二、縮微光柵傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理
1.結(jié)構(gòu)
縮微光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)見圖1，傳感器主要由主光柵、指示光柵、光敏元件和傳感器殼體構(gòu)成。主光柵滑桿由透明材料制成，其端部與被測物體通過連接孔固定連接，可以在滑槽中作前后移動，主光柵滑桿的一面嵌貼有縮微光柵片，在傳感器殼體主光柵滑槽的一邊槽壁上嵌貼有另一片縮微光柵片作為指示光柵，它與主光柵構(gòu)成一對光柵付。傳感器殼體在主光柵滑槽的兩邊安裝有兩對光敏器件，發(fā)光管發(fā)出的兩路平行光通過兩條光縫，穿過光柵干涉面到達(dá)另一邊的光敏接收管，光敏接收管用來檢測干涉莫爾條紋引起的光強(qiáng)變化并輸出相應(yīng)的電流波形。采用雙光路設(shè)計可以實現(xiàn)運(yùn)動方向判別和脈沖細(xì)分，從而提高傳感器的測量精度和實現(xiàn)判向功能。指示光柵與光敏元件安裝在由工程塑料制成的傳感器殼中，傳感器通過兩邊的固定孔與相對靜止的構(gòu)件連接，光敏器件的引腳為標(biāo)準(zhǔn)排列，可以讓傳感器直接焊接在印制電路板上。
該傳感器最顯著的特點(diǎn)是主光柵和指示光柵采用縮微光柵材料，縮微光柵是利用CAD技術(shù)與縮微攝影技術(shù)結(jié)合制造的光柵，它具有柔韌性好、制造加工方便、成本低的特點(diǎn)。
由于采用紅外發(fā)光管作為光源，不僅使傳感器壽命長、抗干擾性好、成本低，而且使傳感器 的體積和重量進(jìn)一步縮小，使得該傳感器具有很好的魯棒性。
2.工作原理
傳感器在制造時必須保證主光柵和指示光柵的柵線保持固定的微小夾角θ，光柵面保持合適的微小間距，這樣當(dāng)與被測物體連接的主光柵與處于固定位置的指示光柵發(fā)生相對位移運(yùn)動時，在兩片光柵的重合面區(qū)域?qū)�產(chǎn)生垂直的明暗相間的干涉莫爾條紋，通過光電元件檢測莫爾條紋數(shù)量和方向即可以得到位移量或轉(zhuǎn)角大小以及它們的方向信息。
可以證明當(dāng)θ很小時，莫爾條紋的間距B與柵距W以及夾角θ之間存在下面的關(guān)系：
   (1)顯然，干涉得到的莫爾條紋間距B比原來光柵本身的柵距W放大了1/θ倍，因此，傳感器可以通過檢測莫爾條紋的數(shù)量得到光柵相對位移量。主光柵通常固定在被測物體上，并且隨被測物體移動，主光柵的長度決定傳感器位移檢測范圍。指示光柵與光電元件屬于傳感器的固定部分，工作時通常被固定在機(jī)器的機(jī)架或機(jī)器壁上。光電元件用來感測隨主光柵的移動而產(chǎn)生的莫爾條紋的光強(qiáng)變化，當(dāng)兩塊光柵相對移動時，可以觀測到莫爾條紋的光強(qiáng)變化。光柵每移動一個柵距，莫爾條紋便走過一個條紋間距，電壓輸出正好經(jīng)歷一個正弦變化周期，當(dāng)光柵連續(xù)運(yùn)動時，通過電路整形處理，這一正弦信號變成一串連續(xù)脈沖輸出。脈沖數(shù)和條紋數(shù)與移過的光柵柵距是一一對應(yīng)的，因此位移量為：d＝NW（2）
N為移過的莫爾條紋的數(shù)量，據(jù)此可以知道運(yùn)動部件的位移量d。節(jié)距角為θ。