一、光柵尺的結構

編碼器是一種可以將角位移或直線位移轉換成電信號的設備。

而光柵尺則是編碼器的一種，多用來測量直線位移。

光柵尺是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。一般將標尺光柵固定，以光柵讀數(shù)頭的移動來檢測位移。光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件等組成。如圖下圖所示：

其中指示光柵又是光柵讀數(shù)頭的重要部分，它直接決定了光柵尺的測量精度。

二、什么是光柵？

那么光柵是什么呢？光柵就是在玻璃上刻出大量平行等間距的刻痕，刻痕為不透光部分，刻痕間的狹縫為透光部分。精制的光柵可以在1cm的寬度內刻出幾千條乃至上萬條的刻痕。

三、光柵尺是如何測量的

光柵尺的測量利用了光柵產生的莫爾條紋現(xiàn)象。莫爾條紋是一種光學現(xiàn)象，在技術上它是指：兩條線或兩物體間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結果。在光柵尺中，當我們使標尺光柵與指示光柵產生一個微小夾角時，就會產生莫爾條紋。如圖：

那么莫爾條紋為什么會產生這樣明暗相間的視覺現(xiàn)象呢？我們以簡化圖像來做解釋。

如上圖，當有光源照射時，交叉點近旁的部分由于不透明區(qū)域重疊，因而遮光面積最小光線可以大量穿過，又受到遮光效應、衍射效應、干涉效應等多種原理的影響，這個區(qū)域就出現(xiàn)亮帶。相反，距離交叉點較遠的區(qū)域，光柵上的不透明區(qū)域重疊部分變少，使得遮光面積變大所以就形成了暗帶。

1874年英國物理學家瑞利首先揭示出了莫爾條紋圖案的科學和工程價值，指出了通過觀察莫爾條紋的移動來測量光柵相對位移的可能性。

以下圖為例我們簡單說明莫爾條紋在光柵尺中的使用。

假設我們要測量位移量x，那么只要知道光柵的柵格寬度d和移動的柵格個數(shù)N，位移量就可以表示為x=N·d。柵格寬度已知，移動的柵格數(shù)又該如何計算呢？

容易想到，假設有一個固定點，當光線穿過光柵投射到固定點上時，由于光柵的移動，那么固定點上光線的變化就是明暗交替的。

如果我們記錄這種變化，就可以知道移動的柵格數(shù)N，但光柵上的狹縫很窄，移動時固定點上的明暗變化難以辨別。倘若我們能將這種現(xiàn)象放大那么問題就可以迎刃而解，而莫爾條紋就有這樣的放大作用。

我們來計算一下，將莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，用W表示。將指示光柵與標尺光柵之間偏差的角度設為θ，指示光柵柵格寬度設為d。而且莫爾條紋的排列方向與兩片光柵線夾角的平分線相垂直。

所以可得公式：

又因為θ很小，所以W=d/θ。設d=0.01mm，θ=0.001rad，則W=10mm。這樣莫爾條紋就將柵距放大了一千倍，而且每當光柵移動一個柵距，莫爾條紋就會走過一個條紋間距，固定點也就是讀數(shù)頭中的感光元件就會經歷一個周期的變化。這樣就可以將周期性的光信號轉化為正弦信號或者方波信號，這些電信號通過電路整形處理后就可以得到移動的柵格數(shù)N，那么物體的位移量自然能夠計算。

四、光柵尺如何判斷方向

通過以上方法，我們雖然求出了物體的移動距離，但卻無法判斷它的運動方向，該怎么做呢？我們可以在讀數(shù)頭內放置四個相差四分之一柵距的感光元件，分別是A+、A-；B+、B-。

這樣每個感光元件的輸出信號之間就會相差四分之一個周期。如圖：

A信號由A+-A-可得，B信號由B+-B-可得。

當A信號超前B信號時尺體正向移動。

當A信號滯后B信號時尺體反向移動。

有些光柵尺還可以輸出Z信號也就是回零信號。同時A信號與B信號還具有其他功能，其一：防止信號的干擾。假設，當A信號的上升沿到來時，系統(tǒng)沒有接收到B信號的上升沿那么系統(tǒng)就不會計數(shù)。或者當A信號受到干擾產生了兩個上升沿那么系統(tǒng)也會排除這個干擾。因為，當系統(tǒng)收到A的上升沿時，就會去查詢B的上升沿是否到來而不會對A信號的另一個上升沿計數(shù)。其二：提高光柵尺的精度。一個完整的信號周期A信號會產生一個上升沿和一個下降沿，B信號也會產生一個上升沿和一個下降沿。計數(shù)時，每當A信號的上升沿到來，系統(tǒng)計數(shù)一次，這就是一倍頻，使用的是光柵尺柵距的精度。當對A信號的上升沿和下降沿分別計數(shù)時，就是二倍頻，就將一個柵距分成了兩份。當對A信號與B信號的上升沿和下降沿都分別計數(shù)時，就是四倍頻，這樣光柵尺就可以測量更加精細的位移。如下圖所示：

五、其他類型的光柵尺

因為光柵尺在機床中使用較多，每次重啟機器時，都要確定光柵尺的位置信息，所以人們又發(fā)明出增量式光柵尺和絕對式光柵尺。在增量式光柵尺上刻有一個或多個參考點，通過這些參考點確定位置信息才能夠執(zhí)行回零操作，這些參考點就是之前我們所說的Z軸，但是當機器上有多個軸時回零操作會變得即復雜又耗時。在這種情況下，就可以使用絕對式光柵尺。這種光柵尺是在標尺光柵上刻劃一條帶有絕對位置編碼的碼道。每當機器重啟后，光柵尺可以通過讀數(shù)頭直接讀取當前的絕對位置信息，就無需歸零操作從而簡化了系統(tǒng)的設計。

六、光柵尺的精度和分辨率

最后，我們介紹一下光柵尺精度和分辨率的內容。光柵尺中的精度其實是說光柵尺的制造誤差。比如±0.275μm/10mm、±0.750μm/50mm，就是說運動10mm和50mm可能產生的誤差分別是±0.275μm和±0.750μm。要注意的是如果光柵尺精度為±0.275μm/10mm并不能推導出±2.75μm/100mm，它們之間是沒有這樣的線性關系的。光柵尺上標注的分辨率，一般是經過分頻得到的。分頻方法有上文介紹過的物理分頻還有一種電子電路的分頻方式。舉個例子，當光柵尺的柵距為25um，每當尺體移動25um時就會輸出一個周期，在經過電路的50倍細分后尺體每移動25um就會輸出50個周期，也就是廠家所說的分辨率為0.5um（25÷50）。需注意的是，當尺體的移動不超過25um時讀數(shù)頭是不會輸出周期的。

七、光柵尺的特點

通過以上內容可以總結出光柵尺的特點有：

1很高的檢測精度，經過細分后可以達到0.1微米的分辨率

2響應速度快，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，有利于自動化控制

3對環(huán)境的要求高，怕油污、灰塵及振動

4安裝維護困難，成本較高。

以上就是我們對于光柵尺的內容介紹，編碼器與光柵尺的結構相差不大很多內容都有共同點，這里就不在另行說明。

八、實驗

接下來我們完成一個以數(shù)據(jù)采集卡采集光柵尺位移數(shù)據(jù)的實驗。本次實驗所用的器材有：光柵尺、USB-3313數(shù)據(jù)采集卡。

在開始實驗前我們先了解一下光柵尺的具體參數(shù)，此款光柵尺定義行程：200mm（可測量的最大距離約為220mm）、柵距：0.02m（一個信號周期）、精度：0.005mm（最小測量步距）。

光柵尺管腳定義：紅色1接電源正極、黑色2接電源負極、綠色3定義為A相信號、白色4定義為B相信號，橙色5定義為Z相信號。

下面我們進行各設備間的接線：首先將采集卡的Ct 0 Src端口與A相（綠色）連接，將Ct 0 Gate端口與B相（白色）連接，將Ct 0 Z與Z相（橙色）連接。因為光柵尺提供了電源插頭，我們將光柵尺的GND端也就是電源負極與采集卡的DGND端相連。將電源正極與光柵尺正極（紅色）相連，將采集卡與電腦連接。

打開最新的DAQ Software軟件，點擊Coder，開始設置參數(shù)。

采樣率設置為10000。

通道選擇CT 0，編碼器類型選擇QuaEncodeX4，它意味著每個信號周期可發(fā)生四次增量或減量，對應的是每個周期可發(fā)生四次測量步距（0.005mm）的增量或減量。在單位變換中設置每脈沖表示值為5，單位是um（微米）。

點擊下一步，數(shù)據(jù)存儲不勾選。

觸發(fā)選擇及時出發(fā)，點擊完成。

將軟件橫坐標設置為0至10000，點擊啟動。光柵尺起始位置是0。

滑動光柵尺就可以看到軟件將光柵尺的數(shù)據(jù)信息表現(xiàn)出來，在軟件右側可以直接讀出光柵讀數(shù)頭走過224.115mm(毫米)。

快速移動光柵讀數(shù)頭，可以看到程序波形隨之而改變。

微小的移動也會反應到波形圖中。

以上就是Smacq采集卡連接光柵尺的全部內容。希望可以對大家有所幫助。采集卡的更多內容可在網站 smacq.cn 內查看。如果您有任何問題都可以在評論區(qū)或是搜索微信公眾號“思邁科華Smacq”聯(lián)系我們。

再見。

審核編輯 黃宇