2 光学编码器涉及的基础理论
2.1莫尔条纹的形成及特点 2.1.1 莫尔条纹的形成
莫尔是法语，意思是在水面产生的波纹，两块光栅迭合时产生条纹纹花样，故由此得名。光电轴角编码器的核心基础是光栅莫尔条纹技术，也是它区别于其它角度位移技术的特征。
光栅莫尔条纹的机理有很多解释，主要可归纳为三种[7-8]: 1. 从几何学角度描述的遮光阴影原理; 2，从衍射光学角度描述的衍射干涉原理; 2. 从空间拍频角度描述的频谱分析原理。
为方便起见，本文仅从几何光学角度，对长光栅莫尔条纹形成机理加以解释(圆光栅莫尔条纹形成机理相同)，图2.1为两块黑白型长光栅G，、GZ，以交角e相叠合，两光栅栅距(亦称为光栅节距或光栅常数)为Pl，并以直角坐标系X一Y置于光栅副中。
P2 P1W 图2.1 莫尔条纹的形成
在近于与栅线垂直方向上出现明暗相间的条纹，这种条纹就称为莫尔条纹，两条亮条纹(或两暗条纹)间的距离称为莫尔条纹宽度W，根据平面几何三角关系，可以推导出:
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w?p1p2p1?p2?2p1p2cos?22 （2.1）
实际应用中两块光栅栅距相等，即p1?p2?p 此时(2.1)式可以简化为 w?pp? （2.2）
?2(1?cos?)2sin()2p若叠合光栅的栅线交角e很小，(2.2)式可改写为:
w?? （2.3）
2.1.2莫尔条纹转换的特点[8]
1.对应关系:莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅盘的转动量和转动方向之间具有一一对应关系，在两光栅栅线间夹角e不变的条件下可根据莫尔条纹的移动量来判定主光栅的移动量，根据莫尔条纹的移动方向可判断主光栅的转动方向。 2.放大作用: 莫尔条纹间距W对光栅栅距P具有放大作用，由式(2.3)可知，莫尔条纹间距W是光栅栅距的1/?倍。当夹角?足够小时，1/?值很大，例如，对于100线/mm的光栅，栅距仅为0.001mm，当夹角e=0.006分时，实际使用的英尔条纹间距可达10mm，即约放大了近1000倍。
3.平差效应:莫尔条纹对光栅局部误差具有平差效应。由于莫尔条纹是光栅的大量栅线共同作用形成的宏观效应，因而光栅的局部缺陷和个别栅线的偶然误差、断线、粘连等疵病基本上不会影响莫尔条纹的位置精度，这种由于有效平均效应而改善测量精度的原理，也是现代所有多栅式测量元件，如磁栅、容栅、感应同步器等的共同特点。误差的平均效应对于光栅的制造又具有独特的优势，尤其对于圆光栅来说更为突出，用光栅作基准复制出的照相光栅的精度可以比母光栅的精度更高。 4.存在谐波:由于光栅栅线的暗缝与亮缝宽度不等，光栅副间隙以及照明不均匀等原因，光电元件输出的电信号既有以2?为周期的基波，又有频率为基频整数倍的谐波。谐波的存在，是影响高质量莫尔条纹的主要因素之一。高精度编码器在结构设计、光源及信号提取中很大一部份工作就是为克服谐波影响的，这也是本课题立项因素之一。
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2．2光学编码器概论 2.2.1光学编码器的结构
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与转轴系统同轴，电动机旋转时，光栅盘与转轴系统同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图2.2所示，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前转轴的转速[9]。
发光元件
码盘
狭缝
接收元件
主轴 处理 电路 输出
图2.2 编码器原理图
标尺光栅、指示光栅 在一对光栅付中，其中一块光栅尺作测量基准用，该尺称为标尺光栅（或主光栅），另一块光栅尺则称指示光栅。在计量仪器中，光栅式测量系统中的指示光栅一般固定不动，标尺光栅随测量工作台（或主轴）一起转动。但在用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。为了叙述上的方便都把标尺光栅看做是移动的，而指示光栅是固定不动的。在测长系统中，标尺光栅的长度一般由测量范围来定，而指示光栅一般则制作成一小块，即只要能获得足够使用的莫尔条纹区域即可。在圆分度测量系统中，圆标尺光栅都是整圆的，其相应的指示光栅，则根据不同的情况，有取一小块的，有取整圆盘的[10]。
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为了提高光栅式测量系统的分辨率，在光栅式测量装置中，还配有各种细分系统，以读出两块光栅尺相对位移为栅距小数部分的数值。 光栅读数头的组成
光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效面积即为测量范围。指示光栅比标尺光栅小得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头的结构见图2.3。
图2.3读数头结构示意图
23451—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；5—光电元件1x2.2.2光学编码器的分类及性能[10]
编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1）增量式编码器
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
2）绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元
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件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。 它的特点是：
1可以直接读出角度坐标的绝对值； 2没有累积误差；
3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。 3）混合式绝对值编码器
混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。
光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
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