1.光栅的类型和结构
光栅是指有按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光（反射）的光学元件，可以分成物理光栅和计量光栅两大类。
物理光栅刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。
计量光栅主要利用莫尔条纹实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。
衍射光栅（物理光栅） 闪耀光栅（计量光栅）
计量光栅可以分成透射式光栅和反射式光栅两大类。计量光栅按其栅线形式,光栅可分为黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）。计量光栅按照形状可分成长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度或线位移，圆光栅用于测量角度或角位移。
光栅上的刻线称为栅线,栅线的宽度为a,缝隙宽度为b,一般取a=b,而w=a+b称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距,是光栅的重要参数,用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度,如100线／mm、250线／mm）。圆光栅还有一个参数叫栅距角γ或称节距角,它是指圆光栅上相邻两条栅线的夹角。
（a）长光栅 （b）圆光栅
2．长光栅传感器的工作原理
（1）莫尔条纹
长光栅一般有指示光栅和标尺光栅（主光栅）构成，两者平行安装，且两光栅的刻线之间有很小的夹角θ时，在光源照射下，在光栅上会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。
图5-30 莫尔条纹
长光栅的莫尔条纹具有以下特征：
（1）辨向作用：当两光栅沿与栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻方向移动（两者的运动方向相互垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。
（2）位移放大作用：莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。即光栅每每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个条纹宽度L，当两光栅栅线之间夹角很小时，莫尔条纹的宽度为：
（5-15）
一般θ很小,所以放大作用很明显。故尽管光栅栅距w很小,而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时,通过调整θ角,可以改变莫尔条纹宽度,从而使光电接收元件能正确接收光信号。对于100线／mm的光栅,栅距为0.01mm,当夹角为0.1°时,莫尔条纹间距可达5.73 mm,放大了573倍。
（3）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。
（2）长光栅测量位移的工作原理
(a)光电转换电路组成 （b）莫尔条纹 （c）光强分布
图5-31 光电转换
1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件
当长光栅移动时，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。用光电元件将光信号的变化转换成电信号的变化会得到近似正弦波的波形。
图5-32 光栅位移和光强、输出电压的关系
3、辨向和细分
在实际应用中，通常位移具有两个方向，即选定一个移动方向作为正方向后，相反方向的位移为负。只用一套光电元件测量莫尔条纹信号，光电元件只能辨别莫尔条纹的明暗变化，而无法辨别莫尔条纹的移动方向，所以不能正确的测量位移。通常需要加入辨向电路。
辨向原理
图5-33 辨向电路框图
在相距1/4W的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2，光栅正向移动时u1超前u2 90o，反向移动时u2超前u1 90o。经过整形放大后得到两个方波信号u1’和u2’。当光栅正向移动时对应的脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。
随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。所谓细分就是当光栅移动一个栅距，不是输出一个脉冲，而是n个脉冲，每个脉冲相当于原来栅距的1/n，这样可使测量精度提高n倍。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍，因此也称n倍频。通常采用的细分方法有四倍频、十六倍频法。
通常用的有直接细分和电路细分两种。
直接细分常用的是4细分，通过在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光敏元件，可得到两个相位差90o的电信号，用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号。或者在两个莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90o的交流信号。直接细分对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统，但是要安放的光敏元件较多且安装困难。
电路细分则是在不增加光敏元件的基础上，采用电路的方法实现细分，就是电路复杂些。
