一文详解光栅传感器的结构和工作原理

光栅式传感器的基本原理是利用光栅的莫尔条纹现象。

如下图所示，光栅 1类似于长刻线尺，称为标尺光栅（也称主光栅），它可以移动;光栅 2只取一小块，称为指示光栅，它固定不动。也可相反地使指示光栅移动。两者栅距和刻线宽度均相同，使刻线面相对叠合并在中间留有间隙 d，便组成光栅副。

将其置于由光源和透镜形成的平行光束的光路中，若二光栅栅线之间有很小的夹角θ，则在近似垂直于栅线的方向上显示比栅距 W宽得很多的明暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”，其信号光强分布如图 中曲线所示，中间为亮带，上下两条为暗带，当标尺光栅沿垂直于栅线的x方向每移动一个栅距W时，莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。用光电元件接收莫尔条纹信号并经电路处理后，用计数器可得到标尺光栅移过的距离。

在实际使用中，一般把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称为读数头。读数头的结构形式很多，就其光路可分为以下几种。

（1）分光读数头

它的工作原理如下图所示，光源 Q发出的光经透镜L1 变成平行光，照射到光栅 G1 和 G2 上，形成莫尔条纹;透镜L2把莫尔条纹聚焦;在光阑板 S之后的焦面上，光电元件P接收莫尔条纹信号。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。因为光栅间距比较小，两块光栅之间的间隙也小，所以不能在光栅表面粘玻璃保护层。

在实际使用中，如下图所示，在光栅 G 与G 之间装上等倍投影透镜 L3和L4使 G1 的像以同样大小的像投影在G2 上形成莫尔条纹，于是拉长了G 1和 G2 之间的距离。这种读数头主要用在高精度坐标控制系统和精密测量仪器上。

（2）垂直入射读数头

这种读数头主要是用于每毫米 25～125 线的玻璃透射光栅系统。下图为垂直入射读数头的结构示意图，光源1通过透镜 2变成平行光照射在标尺光栅 3 和指示光栅4 上，形成莫尔条纹，然后由光电池5接受信号。图中8 是滚动轴承，它保证了标尺光栅和指示光栅之间恒定的间隙。标尺光栅和读数头分别装在固定部件和移动部件上，标尺光栅用压板7夹紧，读数头用螺钉6 固定。其精度可达 0.001mm/1000mm。

（3）反射读数头

这种读数头主要用于每毫米 25～50 线以下的如下图所示反射光栅系统。图中β为入射角（一般为30°，反射光束通过指示光栅 G2 形成莫尔条纹，然后经透镜Lz并由光电元件 P接收信号。

光栅只能用于增量测量方式，目前有的光栅读数头设有一个绝对零点，这样由于停电或其他原因造成记错数字时，可以重新对零。它是在标尺光栅上有一小段光栅，在指示光栅上也有相应的一小段光栅，当这两小段光栅重叠时发出零位信号，并在数字显示器中显示出来。
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