CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應用

　　摘要:本文基于光柵傳感器，提出借助CCD圖像傳感器代替傳統的硅光電池對莫爾條紋進(jìn)行檢測，完成了信號的細分，并以位移的測量為例，實(shí)現了對位移的高精度測量。

　　關(guān)鍵詞: CCD圖像傳感器;光柵傳感器;莫爾條紋;細分;高精度測量

　　光柵傳感器原理和結構

　　光柵傳感器基本結構及原理

　　光柵傳感器的作用是能夠實(shí)現精密測量，其測量原理建立在莫爾條紋的基礎上。由于光的干涉效應，將等柵距的兩塊光柵以微小夾角重疊在一起，可以看到在近似垂直柵線(xiàn)方向上出現明暗相間的條紋，稱(chēng)為莫爾條紋，如圖1所示：B為莫爾條紋間距，W為光柵間距：　 

　　光柵線(xiàn)夾角θ小，莫爾條紋寬帶B越大，相當于把W放大了1/θ倍，大大的提高了測量靈敏度，也方便了光電元件的放置。

　　本文利用長(cháng)光柵的位移傳感器，借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替傳統的硅光電池檢測莫爾條紋，完成了信號的細分，并實(shí)現對位移和角度的高精度測量。因此，若利用光柵精密測量位移或角度，可利用光電元件測出莫爾條紋的移動(dòng)，通過(guò)脈沖計數得到度量。

　　測量系統結構及工作方式

　　以位移測量為例，通常光柵傳感器是由光路系統、一對光柵副、與指示光柵相對位置固定的光電接收元件、整形細分電路組成。當光柵副中任一光柵沿垂直于刻線(xiàn)方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就會(huì )沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運動(dòng)。當光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強弱變化轉換為電量輸出。該正弦波經(jīng)整形為方波，在一個(gè)完整的光柵測量系統中，后級電路(往往是以單片機為核心)接收該信號后，根據兩路或多路信號的時(shí)序關(guān)系判別運動(dòng)方向，并根據方波個(gè)數判斷位移。

　　光柵數字傳感器的測量分辨率等于一個(gè)柵距。但是，在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實(shí)現：1)增加刻線(xiàn)密度來(lái)減小柵距，但是這種方法受光柵刻線(xiàn)工藝的限制。2)采用細分技術(shù)，在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當量，提高分辨力。細分的方法有多種，如直接細分、電橋細分、鎖相細分、調制信號細分和軟件細分等。下面介紹論文采用的4倍直接細分的信號處理過(guò)程。

　　根據莫爾條紋的性質(zhì)，光電元件產(chǎn)生的信號近似為正弦波。A、B為兩個(gè)光電元件，使A、B的位置相距1/4B那么A、B輸出的正弦信號相位差π/2，如圖2所示。設莫爾條紋移動(dòng)方向為從A到B。A領(lǐng)先Bπ/2，A、B兩路信號經(jīng)整形后變?yōu)榉讲?，?/4個(gè)周期為單位時(shí)間，則在一個(gè)周期內的4個(gè)單位時(shí)間內，A依次為1、1、0、0，B依次為0、1、1、0，AB代表的二進(jìn)制數為10，11，01、00，即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距內，可以得到4組信號，根據不同的信號值從而將位移確定在1/4個(gè)柵距內，實(shí)現了4倍細分。同時(shí)根據AB代表的系列值可以判斷移動(dòng)方向。

　　CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的應用

　　圖像傳感器的選用

　　根據以上對光柵傳感器的剖析，可以看出要想提高對莫爾條紋的細分精度，可以采用提高光柵線(xiàn)的密度或放置更多路光敏元件實(shí)現對信號更高倍的細分的方法。但是由于工藝上的難度成本上的限制，不可能無(wú)限制地提高光柵線(xiàn)的密度，目前較普遍的是1mm 50～100線(xiàn)。也不可能精確地在保證一定的相位差下放置多路光敏元件。所以從以上兩點(diǎn)入手試圖改進(jìn)光柵傳感器的精度意義不大。目前的光柵傳感器一般采用硅光電池，再配以相應的后續電路完成信號處理。所以考慮采用新的圖像探測器件來(lái)取代傳統的光電池是另一種值得考慮的方法。