【通用技术课堂】光栅尺的原理

  这个问题，相信大部分搞自动化、搞技术的小伙伴们都有一定的概念，也会在很多运动机构里面用到光栅尺，来做闭环控制，对其原理都有一定的了解，但是也许也讲不清楚，为什么用光栅可以当尺来用，今天，我们就来详细的介绍一下这个原理，为个人会使用过的那么多的光栅测距传感器补上这一课。

  A:简单来说就是一把尺子。比如说我们常见的卷尺，或者游标卡尺，尺子上都会刻有相应的刻度，只要把被测物体与这个刻度相比较，就可以测量出相应的尺寸，如长度、深度等。同样的，光栅尺上也有刻度，只不过这个刻度是栅格，是通过光刻印再尺子上的，这个刻度无法，或者很难通过人眼来读取，而是一定要通过配套的读取设备来读取位置信息。

  A:Emm...好吧，实际原理要比这个比喻复杂多了，一般来说，光栅会刻在玻璃或者钢带上，制作出一系列的栅格，栅格之间的宽度成为栅距，常见的比如说有20μm。读取设备每扫描到一个栅距就会产生一个正弦波信号，这个信号还可以有效的进行细分，比如说5倍，10倍，50倍细分，就能达到较高的分辨率了。举个例子来说，上面20μm的栅距，经过50倍细分，那就达到了0.4μm的分辨率，这个也就是厂家所提供的分辨率的基础一句。细分方式有些是通过读取设备内置的电子电路实现，有些需要外接一个处理设备。

  A:如上图，读取设备上也有一个和光栅尺上的栅距一样的扫描光罩（Scanning Reticle），里面有一个内置的光源（LED Light Source），通过透镜（Condenser Lens）将光线投射出去，当读取设备在光栅尺上移动的时候，光在通过光栅狭缝的时候，会产生衍射光，打到读取设备的光电传感器（Photocells）上，产生阴暗相间的正弦干涉条纹。光电传感器再将这些条纹转变成正弦波变化的电信号，然后再经过放大整形，就能够得到两个相位差为90度的正弦波或者是方波信号。

  如上面视频显示的，光源上有4个光罩，每个光罩之间有1/4个栅格的位置差异，当光源在栅格上移动的时候，接收到的光线°的正弦波，然后光电传感器再将光照强度变成电信号。由于光靠这4个强度没法确认移动方向，于是就把四路信号进行两两相减处理，获得了一个相位差为90°的两路信号。

  正弦波信号一般会被处理成方波信号，在处理的时候能做倍频细分处理，也可以只是使用原始的频率，取决于最终的精度要求。正弦波或方波的周期数，与移动的距离成正比，正向移动的时候A信号超前B信号90°，反向移动的时候A信号滞后90°，当然如果做倍频细分处理的话，那么一个周期里面的方波数量就会更多一些。

  为什么我们用的光栅尺看上去只有一边有仪器，另外一边并没有光电传感器的样子？

  A:是因为正常的情况来说，光电传感器和光源是在同一侧的，这样设计结构更紧凑一些，当光照射到光栅尺后，有一部分光会反射回去，然后通过聚焦镜，照射回光电传感器，或者光电传感器的位置会与光源位置稍微偏置一点，如下视频。

  A:光栅尺的精度等级有很多种，常见的有±5μm，±3μm，±1μm，更高的也有。不过必须要格外注意的是，我们所说的精度是光栅尺的制造误差，指走指定距离有几率存在的误差，如果走的距离比较短，那么误差一般会更小。比如说，±0.2μm/10mm，±0.5μm/50mm，但是这个精度并不能够推断出±0.2μm/10mm的精度为±2μm/100mm，并没有线性关系，有些光栅尺上可能会标注两个行程误差，当然我们大部分买的光栅尺主要标注的是满行程情况下的最大误差。当然除了这个制造误差之外，在进行倍频细分的时候也会有相应的差分误差，只不过这个误差比较小，而光栅尺厂商标注的误差是已经计算了差分误差之后的系统误差。从影响因素上来说，通常还会与导轨的精度、结构刚性、温度等有关系。

  A:一般来说会在被刻材料上涂一层感光膜，然后再用光照射，被光照到的地方，感光膜就被“烧掉”了，然后将被“划刻”过的这个材料，扔到对应的液体里面泡一下，就做出了光栅尺，与电路板蚀刻的原理比较类似。

  最后还有一个点是增量式与绝对式光栅尺的区别，绝对式光栅尺比增量式的多了一个位置编码，能够识别出当前位置，一般来说绝对式光栅尺的成本要比增量式的高一些。优点是不用每次回零来确认准确位置，一上电就不难得知当前的准确位置。

  A:很多时候我们并不关心绝对定位精度，而只关心重复定位精度，因为大部分情况下我们应该的是让我们的运动机构移动到某几个固定的位置，尤其是用在某些应用，比如说伺服压机、换型用的伺服电机、分料机构等，一般都只需要几个固定的位置，因此重复精度对这种应用会更有实际意义，因此，有时候厂家会使用重复定位精度进行标注。

  一般来说，重复定位精度的数值为定位精度的1/2~1/3，比如说一个定位精度在±5μm/100mm的一个光栅尺的重复定位精度可能是±1μm/100mm，当然，这个重复定位精度肯定是在分辨率与定位精度之间的，其精度能力不能够超过其分辨率。

  最后需要提醒的一点是，在使用光栅尺的时候，一定要将光栅尺安装在平面上，如果安装平面不够平，与光栅尺的导轨有一定的平行度差异，那么就会导致光栅尺的测量结果不准。

  使用这样的产品的时候的需要注意的就是整个笔式的光栅尺安装的是否垂直或者水平了，当然也能够最终靠后期的标定对角度上的差异进行补偿，我们就不在这里赘述了。