CCD图像传感器在光栅传感器中的研究与应用

　　摘要:本文基于光栅传感器，提出借助CCD图像传感器代替传统的硅光电池对莫尔条纹进行检测，完成了信号的细分，并以位移的测量为例，实现了对位移的高精度测量。

　　关键词: CCD图像传感器;光栅传感器;莫尔条纹;细分;高精度测量

　　光栅传感器原理和结构

　　光栅传感器基本结构及原理

　　光栅传感器的作用是能够实现精密测量，其测量原理建立在莫尔条纹的基础上。由于光的干涉效应，将等栅距的两块光栅以微小夹角重叠在一起，可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，如图1所示：B为莫尔条纹间距，W为光栅间距：　 

　　光栅线夹角θ小，莫尔条纹宽带B越大，相当于把W放大了1/θ倍，大大的提高了测量灵敏度，也方便了光电元件的放置。

　　本文利用长光栅的位移传感器，借助CCD(电荷耦合器件)图像传感器代替传统的硅光电池检测莫尔条纹，完成了信号的细分，并实现对位移和角度的高精度测量。因此，若利用光栅精密测量位移或角度，可利用光电元件测出莫尔条纹的移动，通过脉冲计数得到度量。

　　测量系统结构及工作方式

　　以位移测量为例，通常光栅传感器是由光路系统、一对光栅副、与指示光栅相对位置固定的光电接收元件、整形细分电路组成。当光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B。光电接收元件将莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出。该正弦波经整形为方波，在一个完整的光栅测量系统中，后级电路(往往是以单片机为核心)接收该信号后，根据两路或多路信号的时序关系判别运动方向，并根据方波个数判断位移。

　　光栅数字传感器的测量分辨率等于一个栅距。但是，在精密检测中常常需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率，可以采用两种方法实现：1)增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制。2)采用细分技术，在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量，提高分辨力。细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分和软件细分等。下面介绍论文采用的4倍直接细分的信号处理过程。

　　根据莫尔条纹的性质，光电元件产生的信号近似为正弦波。A、B为两个光电元件，使A、B的位置相距1/4B那么A、B输出的正弦信号相位差π/2，如图2所示。设莫尔条纹移动方向为从A到B。A领先Bπ/2，A、B两路信号经整形后变为方波，以1/4个周期为单位时间，则在一个周期内的4个单位时间内，A依次为1、1、0、0，B依次为0、1、1、0，AB代表的二进制数为10，11，01、00，即光栅移动一个栅距内，可以得到4组信号，根据不同的信号值从而将位移确定在1/4个栅距内，实现了4倍细分。同时根据AB代表的系列值可以判断移动方向。

　　CCD图像传感器在光栅传感器中的应用

　　图像传感器的选用

　　根据以上对光栅传感器的剖析，可以看出要想提高对莫尔条纹的细分精度，可以采用提高光栅线的密度或放置更多路光敏元件实现对信号更高倍的细分的方法。但是由于工艺上的难度成本上的限制，不可能无限制地提高光栅线的密度，目前较普遍的是1mm 50～100线。也不可能精确地在保证一定的相位差下放置多路光敏元件。所以从以上两点入手试图改进光栅传感器的精度意义不大。目前的光栅传感器一般采用硅光电池，再配以相应的后续电路完成信号处理。所以考虑采用新的图像探测器件来取代传统的光电池是另一种值得考虑的方法。