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位移传感器原理
计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的.“莫尔”原出于法文Moire,意思是水波纹.几百 年前法国丝绸工人发现,当两层薄丝绸叠在一起时,将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动,则花样也跟着移动,这种奇怪的花纹就是莫尔条纹.一般来说,只要是有一定周期的曲线簇重叠起来,便会产生莫尔条纹.计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅.下面以透射光栅为例加以讨论. 透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线,a为刻线宽,b为两刻线之间缝宽,W=a+b称为光栅栅距.目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条.光栅的横向莫尔条纹测位移,需要两块光栅.一块光栅称为主光栅,它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块,称为指示光栅.为了测量位移,必须在主光栅侧加光源,在指示光栅侧加光电接收元件.当主光栅和指示光栅相对移动时,由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动,固定在指示光栅侧的光电元件,将光强变化转换成电信号.由于光源的大小有限及光栅的衍射作用,使得信号为脉动信号.如图 1,此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加,周期信号是位移x的函数.每当x变化一个光栅栅距W,信号就变化一个周期,信号由b点变化到b’点.由于bb’=W,故b’点的状态与b点状态完全一样,只是在相位上增加了2π.
信号处理,辨向原理
在实际应用中,位移具有两个方向,即选定一个方向后,位移有正负之分,因此用一个 光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向.为了辨向,需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号.如图2,在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件,得到两个相位差π/2的电信号u01和u02,经过整形后得到两个方波信号u01’和u02’.光栅正向移动时u01超前u02 90度,反向移动时u02超前u01 90度,故通过电路辨相可确定光栅运动方向.
细分技术
随着对测量精度要求的提高,以栅距为单位已不能满足要求,需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分.所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减少脉冲当量.如一个周期内发出n个脉冲,则可使测量精度提高n备,而每个脉冲相当于原来栅距的1/n.由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称n倍频.
通常用的有两种细分方法：其一、直接细分.在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件,可得到两个相位差90o的电信号,用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号.同样,在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件,也可获得四个相位差90o的交流信号,实现四倍频细分.其二、电路细分.专用集成电路
四倍频专用集成电路同时具有辨相和四倍频细分的功能,可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号,可送双时钟可逆计数器进行加、减计数,也可直接送微型计算机（包括单片机）进行数据处理.
1、特点：
⑴、数字化微分电路：4路微分信号脉宽由主频周期决定,因此,是一致的,而且可在很大范围里方便地选择.
⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息,以便操作者及时控制光栅运动快慢.在速度超过极限值时本电路将给出出错信息.
⑶、绝对零位控制：绝对零位的设置将给操作者带来许多方便,如故障断电后的重新定位等.本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对零位停止计数”,以及“与绝对零位无关”三种工作模式.
⑷、片选：本电路设有片选端,可以构成多标数显系统.
⑸、COMS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容.
