這(zhè)個問題，相信大(dà)部分搞自(zì)動化、搞技術的小(xiǎo)夥伴們都有一定的概念，也(yě)會(huì)在很(hěn)多運動機構裏面用(yòng)到(dào)光栅尺，來(lái)做閉環控制，對(duì)其原理(lǐ)都有一定的了(le)解，但(dàn)是也(yě)許也(yě)講不清楚，爲什(shén)麽用(yòng)光栅可以當尺來(lái)用(yòng)，今天，我們就來(lái)詳細的介紹一下(xià)這(zhè)個原理(lǐ)，爲我們使用(yòng)過的那麽多的光栅測距傳感器補上(shàng)這(zhè)一課
什(shén)麽是光栅尺？
A：簡單來(lái)說就是一把尺子。比如說我們常見的卷尺，或者遊标卡尺，尺子上(shàng)都會(huì)刻有相應的刻度，隻要把被測物體與這(zhè)個刻度相比較，就可以測量出相應的尺寸，如長度、深度等。同樣的，光栅尺上(shàng)也(yě)有刻度，隻不過這(zhè)個刻度是栅格，是通過光刻印再尺子上(shàng)的，這(zhè)個刻度無法，或者很(hěn)難通過人眼來(lái)讀取，而是需要通過配套的讀取設備來(lái)讀取位置信息
就這(zhè)麽簡單？
A：Emm...好(hǎo)吧，實際原理(lǐ)要比這(zhè)個比喻複雜(zá)多了(le)，一般來(lái)說，光栅會(huì)刻在玻璃或者鋼帶上(shàng)，制作(zuò)出一系列的栅格，栅格之間的寬度成爲栅距，常見的比如說有20μm
讀取設備每掃描到(dào)一個栅距就會(huì)産生一個正弦波信号，這(zhè)個信号還能(néng)夠進行細分，比如說5倍，10倍，50倍細分，就能(néng)夠達到(dào)較高(gāo)的分辨率了(le)
舉個例子來(lái)說，上(shàng)面20μm的栅距，經過50倍細分，那就達到(dào)了(le)0.4μm的分辨率，這(zhè)個也(yě)就是廠(chǎng)家所提供的分辨率的基礎一句
細分方式有些(xiē)是通過讀取設備内置的電子電路實現(xiàn)，有些(xiē)需要外(wài)接一個處理(lǐ)設備
讀取設備是如何掃描光栅讀取數據的呢(ne)？
A：如上(shàng)圖，讀取設備上(shàng)也(yě)有一個和(hé)光栅尺上(shàng)的栅距一樣的掃描光罩（Scanning Reticle），裏面有一個内置的光源（LED Light Source），通過透鏡（Condenser Lens）将光線投射出去，當讀取設備在光栅尺上(shàng)移動的時(shí)候，光在通過光栅狹縫的時(shí)候，會(huì)産生衍射光，打到(dào)讀取設備的光電傳感器（Photocells）上(shàng)，産生陰暗相間的正弦幹涉條紋
光電傳感器再将這(zhè)些(xiē)條紋轉變成正弦波變化的電信号，然後再經過放(fàng)大(dà)整形，就可以獲得兩個相位差爲90度的正弦波或者是方波信号
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如上(shàng)面視(shì)頻顯示的，光源上(shàng)有4個光罩，每個光罩之間有1/4個栅格的位置差異，當光源在栅格上(shàng)移動的時(shí)候，接收到(dào)的光線亮(liàng)度就會(huì)呈現(xiàn)4個相差90°的正弦波，然後光電傳感器再将光照強度變成電信号。由于光靠這(zhè)4個強度沒法确認移動方向，于是就把四路信号進行兩兩相減處理(lǐ)，獲得了(le)一個相位差爲90°的兩路信号
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正弦波信号一般會(huì)被處理(lǐ)成方波信号，在處理(lǐ)的時(shí)候可以做倍頻細分處理(lǐ)，也(yě)可以隻是使用(yòng)原始的頻率，取決于最終的精度要求
正弦波或方波的周期數，與移動的距離成正比，正向移動的時(shí)候A信号超前B信号90°，反向移動的時(shí)候A信号滞後90°，當然如果做倍頻細分處理(lǐ)的話(huà)，那麽一個周期裏面的方波數量就會(huì)更多一些(xiē)
爲什(shén)麽我們用(yòng)的光栅尺看(kàn)上(shàng)去隻有一邊有儀器，另外(wài)一邊并沒有光電傳感器的樣子？
A：這(zhè)是因爲一般情況來(lái)說，光電傳感器和(hé)光源是在同一側的，這(zhè)樣設計(jì)結構更緊湊一些(xiē)，當光照射到(dào)光栅尺後，有一部分光會(huì)反射回去，然後通過聚焦鏡，照射回光電傳感器，或者光電傳感器的位置會(huì)與光源位置稍微偏置一點，如下(xià)視(shì)頻
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嗯，原理(lǐ)基本上(shàng)明(míng)白(bái)了(le)，光栅尺的精度能(néng)達到(dào)多少，有些(xiē)什(shén)麽影響因素？
A：光栅尺的精度等級有很(hěn)多種，常見的有±5μm，±3μm，±1μm，更高(gāo)的也(yě)有。不過需要注意的是，我們所說的精度是光栅尺的制造誤差，指走指定距離可能(néng)存在的誤差，如果走的距離比較短，那麽誤差一般會(huì)更小(xiǎo)。比如說，±0.2μm/10mm，±0.5μm/50mm，但(dàn)是這(zhè)個精度并不能(néng)夠推斷出±0.2μm/10mm的精度爲±2μm/100mm，并沒有線性關系，有些(xiē)光栅尺上(shàng)可能(néng)會(huì)标注兩個行程誤差，當然我們大(dà)部分買的光栅尺主要标注的是滿行程情況下(xià)的最大(dà)誤差
當然除了(le)這(zhè)個制造誤差之外(wài)，在進行倍頻細分的時(shí)候也(yě)會(huì)有相應的差分誤差，隻不過這(zhè)個誤差相對(duì)較小(xiǎo)，而光栅尺廠(chǎng)商标注的誤差是已經計(jì)算(suàn)了(le)差分誤差之後的系統誤差
從(cóng)影響因素上(shàng)來(lái)說，通常還會(huì)與導軌的精度、結構剛性、溫度等有關系
20μm的栅距是怎麽刻上(shàng)去的？
A：一般來(lái)說會(huì)在被刻材料上(shàng)塗一層感光膜，然後再用(yòng)光照射，被光照到(dào)的地方，感光膜就被“燒掉”了(le)，然後将被“劃刻”過的這(zhè)個材料，扔到(dào)對(duì)應的液體裏面泡一下(xià)，就做出了(le)光栅尺，與電路闆蝕刻的原理(lǐ)比較類似
最後還有一個點是增量式與絕對(duì)式光栅尺的區(qū)别，絕對(duì)式光栅尺比增量式的多了(le)一個位置編碼，能(néng)夠識别出當前位置，一般來(lái)說絕對(duì)式光栅尺的成本要比增量式的高(gāo)一些(xiē)。優點是不用(yòng)每次回零來(lái)确認準确位置，一上(shàng)電就可以知(zhī)道(dào)當前的準确位置
爲什(shén)麽有的光栅尺上(shàng)标注的是重複定位精度，而不是系統精度？
A：很(hěn)多時(shí)候我們并不關心絕對(duì)定位精度，而隻關心重複定位精度，因爲大(dà)部分情況下(xià)我們需要的是讓我們的運動機構移動到(dào)某幾個固定的位置，尤其是用(yòng)在某些(xiē)應用(yòng)，比如說伺服壓機、換型用(yòng)的伺服電機、分料機構等，一般都隻需要幾個固定的位置，因此重複精度對(duì)這(zhè)種應用(yòng)會(huì)更有實際意義，因此，有時(shí)候廠(chǎng)家會(huì)使用(yòng)重複定位精度進行标注
一般來(lái)說，重複定位精度的數值爲定位精度的1/2~1/3，比如說一個定位精度在±5μm/100mm的一個光栅尺的重複定位精度可能(néng)是±1μm/100mm，當然，這(zhè)個重複定位精度肯定是在分辨率與定位精度之間的，其精度能(néng)力不能(néng)夠超過其分辨率
最後需要提醒的一點是，在使用(yòng)光栅尺的時(shí)候，一定要将光栅尺安裝在平面上(shàng)，如果安裝平面不夠平，與光栅尺的導軌有一定的平行度差異，那麽就會(huì)導緻光栅尺的測量結果不準
當然，我們所使用(yòng)的有些(xiē)光栅尺産品是集成式的筆(bǐ)式産品，如下(xià)圖
使用(yòng)這(zhè)種産品的時(shí)候的需要注意的就是整個筆(bǐ)式的光栅尺安裝的是否垂直或者水(shuǐ)平了(le)，當然也(yě)可以通過後期的标定對(duì)角度上(shàng)的差異進行補償，我們就不在這(zhè)裏贅述了(le)
ok，關于光栅尺的原理(lǐ)，我們就先介紹到(dào)這(zhè)兒，趕緊來(lái)點贊吧
