CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應(yīng)用

　　摘要:本文基于光柵傳感器，提出借助CCD圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池對(duì)莫爾條紋進(jìn)行檢測(cè)，完成了信號(hào)的細(xì)分，并以位移的測(cè)量為例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的高精度測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞: CCD圖像傳感器;光柵傳感器;莫爾條紋;細(xì)分;高精度測(cè)量

　　光柵傳感器原理和結(jié)構(gòu)

　　光柵傳感器基本結(jié)構(gòu)及原理

　　光柵傳感器的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)精密測(cè)量，其測(cè)量原理建立在莫爾條紋的基礎(chǔ)上。由于光的干涉效應(yīng)，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方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，如圖1所示：B為莫爾條紋間距，W為光柵間距：　 

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

　　本文利用長(zhǎng)光柵的位移傳感器，借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池檢測(cè)莫爾條紋，完成了信號(hào)的細(xì)分，并實(shí)現(xiàn)對(duì)位移和角度的高精度測(cè)量。因此，若利用光柵精密測(cè)量位移或角度，可利用光電元件測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng)，通過脈沖計(jì)數(shù)得到度量。

　　測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式

　　以位移測(cè)量為例，通常光柵傳感器是由光路系統(tǒng)、一對(duì)光柵副、與指示光柵相對(duì)位置固定的光電接收元件、整形細(xì)分電路組成。當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(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(yùn)動(dòng)。當(dāng)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(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)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(cè)量系統(tǒng)中，后級(jí)電路(往往是以單片機(jī)為核心)接收該信號(hào)后，根據(jù)兩路或多路信號(hào)的時(shí)序關(guān)系判別運(yùn)動(dòng)方向，并根據(jù)方波個(gè)數(shù)判斷位移。

　　光柵數(shù)字傳感器的測(cè)量分辨率等于一個(gè)柵距。但是，在精密檢測(cè)中常常需要測(cè)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(xiàn)：1)增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2)采用細(xì)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(dāng)量，提高分辨力。細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分和軟件細(xì)分等。下面介紹論文采用的4倍直接細(xì)分的信號(hào)處理過程。

　　根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì)，光電元件產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)相位差π/2，如圖2所示。設(shè)莫爾條紋移動(dòng)方向?yàn)閺腁到B。A領(lǐng)先Bπ/2，A、B兩路信號(hào)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(nèi)的4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，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(shù)為10，11，01、00，即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距內(nèi)，可以得到4組信號(hào)，根據(jù)不同的信號(hào)值從而將位移確定在1/4個(gè)柵距內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了4倍細(xì)分。同時(shí)根據(jù)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(yīng)用

　　圖像傳感器的選用

　　根據(jù)以上對(duì)光柵傳感器的剖析，可以看出要想提高對(duì)莫爾條紋的細(xì)分精度，可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)更高倍的細(xì)分的方法。但是由于工藝上的難度成本上的限制，不可能無限制地提高光柵線的密度，目前較普遍的是1mm 50～100線。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(yīng)的后續(xù)電路完成信號(hào)處理。所以考慮采用新的圖像探測(cè)器件來取代傳統(tǒng)的光電池是另一種值得考慮的方法。