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两块光栅作相对位移时,莫尔条纹将连续移动,光栅每移动一个栅距时,莫尔条纹将移动一个明暗周期[6]。当改变两块光栅放置的角度时,莫尔条纹的明暗宽度将发生变化。莫尔条纹的宽度B与夹角θ和栅距W之间的关系如式(1)所示:
(1)
如果用平行光透射莫尔条纹,用光电转换的方法,莫尔条纹一个明暗周期的透射光照在四路光电池上,则在四路光电池上产生四路相差π/2的光电流。使用两路电压比较器,将四路相差π/2的低电压转换成两路相差π/2的TTL电平,这就是计量光栅的输出信号。如果指示光栅左移,A信号超前B信号π/2;如果指示光栅右移,则A信号落后B信号π/2。检测时,根据A信号和B信号的相位关系判断机械位移的方向[7]。A信号和B信号与栅距的关系是:实际直线位移一个栅距时,信号A和B出现一个周期。当光栅连续运动时,通过电路整形处理,这一正弦信号变成一串连续脉冲输出。脉冲数和条纹数与移过的光栅栅距是一一对应的,位移量如式(2)所示:
d=NW (2)
式中,N为移过的莫尔条纹的数量,据此可以知道机械位移量d。
2.GWC020-2型光栅位移传感器
在充分考虑量程、分辨率、工作电源、性价比以及输出信号的类型范围后，选用上海亮兴电子技术有限公司生产的GWC020-2型光栅位移传感器作为本系统的传感器。
该传感器主要技术指标或技术参数为：
1、测量范围： 0～20mm；
2、光栅栅距： 0.02mm；
3、最小示值： 0.001mm；
4、最大示值误差： ≦0.001mm；
5、示值重复性： ≦0.001mm；
6、供电电压： 5V。
7、输出讯号：正弦信号输出，相位相差900的两路正弦波信号，幅值分别为4～5V和10～12V两种。
传感器内部电测线路采用微电子技术全部封装入光栅位移传感器壳体内，电缆线内封装电源线、信号线、地线、外包屏蔽层，抗干扰能力较强。选用回弹式传感器内置的复位弹簧将测头顶在被测物即塑性敏感元件上表面，测头材料为硬质合金形状呈半圆形。
图 2.4 传感器实物图
3. 高度测量仪的硬件设计
光栅传感器输出两路正弦信号A，B，需要转换成数字信号才能送入采集系统。首先进行滤波处理，选用RC滤波，允许低频信号通过，将高频信号衰减。整形电路选择双路LM339比较器，工作电压为5V，分别对两路信号进行整形。两路方波通过CPLD完成细分，辨向和计数，最后由单片机送入上位机。
3.1 信号调理电路
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。在测试系统中，常用RC滤波器，因为在这一领域中，信号频率相对来说不高，而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得，所以在工程测试的领域中最常用到的滤波器是RC滤波器[8]。由于传感器输出的是正弦信号，数字计算机无法直接处理模拟信号，欲实现基于计算机的测量与控制，必须将连续变化的模拟信号转变成计算机能够识别的数字信号。