光柵尺的工作原理
光柵尺是上世紀(jì)70年代的日本產(chǎn)品，它是利用光柵的莫爾條紋和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，在3mm的附法玻璃上鍍鉻刻1μ為一道的透明長(zhǎng)度尺，然后把它粘在鋁尺上。靠光折射或透射反饋到感應(yīng)器中進(jìn)行計(jì)量。
常見(jiàn)光柵尺的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來(lái)放置兩光柵尺時(shí)，必然會(huì)造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積*小，擋光效應(yīng)*弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來(lái)越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：
(1) 當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，透過(guò)莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。
(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為
角，則它們之間的幾何關(guān)系為
W=d／sin （4—15）
當(dāng)角很小時(shí)，取sin≈，上式可近似寫(xiě)成
W=d／θ （4—16）
若取d=0.01mm,θ=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說(shuō)明，無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個(gè)重要特點(diǎn)。
(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對(duì)光柵個(gè)別線紋之間的柵距誤差具有平均效應(yīng)，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。
(4) 莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)。兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d，莫爾條紋便相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直，且當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向改變時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)的方向也隨之改變。
根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假如我們?cè)谀獱枟l紋移動(dòng)的方向上開(kāi)4個(gè)觀察窗口A，B，C，D，且使這4個(gè)窗口兩兩相距1／4莫爾條紋寬度，即W／4。由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)，從4個(gè)觀察窗口A，B，C，D可以得到4個(gè)在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函數(shù)的光強(qiáng)度變化過(guò)程，用表示，見(jiàn)圖4-9(c)。若采用光敏元件來(lái)檢測(cè)，光敏元件把透過(guò)觀察窗口的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，設(shè)為。根據(jù)這4個(gè)電壓信號(hào)，可以檢測(cè)出光柵尺的相對(duì)移動(dòng)