CCD在转矩测量中的应用

　　一、光格转矩测量系统的分析

　　1.测且原理

　　光格转矩测量是利用一对光格盘(或称特粗圆光栅)来反应转矩信息。光格盘是开有扇形状透光格孔的薄金属盘，或是在透明材料的薄盘上制上不透光的扇形状图案格子。将两块光格图案相同，均为等分度放射性图案的光格盘重叠在一起，如图1所示，则光电池上受光照面积的大小，即光电池输出光电流的大小，取决于两光格盘之间的相对位置。通常，在转矩等于零的初始状态下，一个光格盘的不透光部分大致遮掉另一光格盘上透光部分的一半。当扭轴受到某一方向的转矩作用时，如果透光面积减小，则在反方向的转矩作用下，透光面积将增大。

　　设a_T为转矩T引起的两光格盘的相对转角，△S和I分别为加转矩条件下光电池受光照面积的增加量和输出光电流，则具体的测量过程是:通过检测光电池输出光电流I的变化，测知△S，再依据△S与a_T的函数关系求知a_T，最后，由下式:

　　求出T。式中G, d, L分别为扭轴材料的切变弹性模量，直径和长度。

　　2.存在的问题

　　(1) T与I之间无法实现理想的线性关系，因而导致测量误差。这是由于:

　　a、受制造工艺所限，面积型光电池的光灵敏度和光谱响应在其光敏面上不可能处处相同,因此，即使在整个光敏面上光照度E不变，I与△S之间也非理想的线性关系。

　　b、即使T恒定(即aT，△S恒定)，光源稳压电源的微小波动(大于0.05%)，将引起照度E的变化，从而影响光电池输出电流I的变化。

　　(2)光电池的空间布置及其光阑孔的问题

　　△S与a_T之间的线性关系由光电池的光阑孔形状和它与光格盘的相对位置决定。应满足的条件是:在作用转矩等于零或等于某一常数的情况下，当扭轴旋转时，光电池受照面积应等于常数，否则将引起输出光电流的波动，造成转角误差。基于这一条件，有以下三种光电池布置方法。

　　a、在光格盘中心线的两侧，对称地布置两只光电池，并采用梯形光阑孔，如图1 (b)中的上、下两虚线梯形所示。当扭轴旋转时，虽然单只光电池的受照面积是变化的，但两只光电池的受照总面积不变，即二者互相补偿。这种方法存在的问题是:第一，两光电池的灵敏度和两边光源的强度不可能完全相同，即使从几何学上保证受照面积不变，光电池的输出却是波动的，产生转角误差。第二，当光格盘上的透光部分刚进入或即将离开梯形光阑孔的瞬时，在孔的斜线边沿上出现狭缝衍射作用，使光照强度出现与狭缝不成比例的变化。因此，当转矩不变，扭轴旋转时光电流产生了相应的波动。