【德康威尔 | 头条】光栅尺的原理是什么？怎么选择？

光栅尺的原理是什么？

这个问题很多次闪现在我的脑海中，也多次百度，但是都解释得不太清楚，或者一点都不形象，很难理解。

因为最近的项目上用到了1D Plus光栅尺（后续，我会专门写写这种光栅尺的应用），我又想起了这个基本的问题，这次，我通过多方的资源，对光栅尺，比以前有了更多的认识。

下面，我用对话的方式，分享一下。

罗罗，我们很多运动平台，都会用到光栅尺，用来做闭环控制，我想问一下，光栅尺的原理的是什么？

光栅尺啊，简单理解就是一把尺子。

打个比方，游标卡尺都用过吧，再或者卷尺用过吧，尺子上面有刻度，这些刻度作为基准，你只需要把要测的物件，和卡尺上的刻度做比较，就可以用来衡量长度、大小、深度等信息。

同样地，光栅尺上也有“刻度”，这种刻度叫光栅，是通过光刻刻在尺子上的，只不过，它不是通过人眼来读取信息，而是通过配套的读数头，来读取位置信息。

你的比喻，我明白了，但是实际原理是不是要复杂得多？

没错。实际原理确实复杂很多：光栅是在玻璃或钢带尺上，制作的一系列条纹和狭缝，一个条纹和一个狭缝的宽度称为栅距，常见栅距20um。

读数头每扫描一个栅距，就产生一个正弦波信号周期，此信号再通过一个电子电路进行细分（读数头内置的或者外部细分盒），比如5，10，50，100倍的细分，所以可以达到很高的分辨率。

比如，一个20um栅距，经过50倍细分，那一个周期就是0.4um，这就是厂商说的分辨率。

我有点明白了。不过我还想问一下：读数头怎么可以扫描光栅读取数据呢？

如上图，读数头中有和尺体栅距一样的指示光栅（Scanning reticle），并且读数头中本身有LED光源，当读数头相对于光栅尺（Scale）移动时，LED光在经过了聚焦镜后（Condenser lens），照射到光栅尺上，然后光通过光栅狭缝，衍射到读数头的光电探测器上（Photocells），这样就在探测器平面上，产生了明暗相间的正弦干涉条纹。

接着，探测器把这些条纹，转换成正弦波变化的电信号，再经过电路的放大和整形后，得到两个相位差90度的正弦波，或方波信号A和B。正弦波或方波的周期数，与移动距离成正比。尺体正向移动时，A信号超前B信号90度，尺体反向移动时，A信号滞后B信号90度。

如果转换成方波信号，做4倍频细分，一个周期里有4个上升沿，这个时候的分辨率只对应着一个上升沿，也就是1/4周期（脉冲）。

需要注意的是，实际情况，光电探测器和LED在光栅尺的同一侧，都集成在读数头中。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，照射回光电探测器，形成电信号。

我明白光栅尺的原理了。

那为什么不直接用卡尺测量呢？

你真调皮，一般卡尺只能人眼读数，怎么把你读到的数据，传送到机器运动轴呢，就更不用说位置没有走对时，如何去反馈做校正了。就算你用能够输出读数的卡尺，精度也没有光栅尺的高嘛。

那一般光栅尺的精度可以达到多少？

±15μm，±5μm，±3μm，±1μm都有。

需要注意的是，这里说的精度，是光栅尺的制造误差，指每走1m实际可能的误差，而如果小距离行走，误差会更小，比如±0.275μm/10mm，±0.750μm/50mm，就是说运动10mm和50mm可能产生的误差分别是±0.275μm和±0.750μm，这是光栅的本身制造精度，也是选择光栅尺的一个重要参考。

比如，我们经常希望一个轴的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之类的，那么选择光栅尺的时候，首先，它的精度就要比这个要求高，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。

另外，这里±1um/100mm并不能推导出±10um/1000mm，因为这里没有线性关系，往往光栅尺本身，会标注一两个短行程误差。比如精度±10um/m，往往100mm内的误差会小于±1um。

当然，读数头在细分信号的时候，也会引入误差，叫做差分误差，不过这个误差很小。比如一根光栅尺，栅距20um，分辨率为0.1um，周期误差（电子细分误差SDE）±0.15um。指的是栅距为20um的光栅，经过200倍细分，分辨率是20/200=0.1um，在这20um的栅距内，因为系统信号处理带来的误差是±0.15um。

好的，我知道了。

不过，我还想知道，光栅尺的测量精度还与哪些因素有关？

通常还和导轨的精度、结构刚性、光栅尺和末端点的距离有关系，对温度敏感的系统，还和环境温度及光栅尺附近热源有很大关系。

通常导轨有直线度和平行度误差，读数头只能读取到光栅尺位置的信息，而我们关心的位置通常不是光栅尺位置，而是结构上功能点的位置，也就是存在阿贝误差。

结构刚性，光栅尺和末端点的距离都会影响阿贝误差。

温度的上升和下降，会导致光栅尺的热膨胀，也会引入误差，因为基准变化了，读数头会认为是光栅尺有一个微小运动。

光栅尺栅距这么小，那刻度是怎么刻上去的？光栅尺尺子一般都是哪些材料？

上面已经提到了，光栅一般刻在玻璃或钢带基体上，玻璃一般用于短行程尺子，大长度尺子，比如10米、30米，用钢带作为基体。

至于说栅距怎么刻上去的，前面也说了，是用光刻的原理刻上去的。

那光刻是个什么东西？我不是很理解，你能解释一下吗？

好吧，我来打个比方。

比如说，你看集成电路板，上面不是有一条一条金属线么？

那个线不是画上去的，是整个刷一层铜到硅板上，然后上面刷一层蜡，然后你用刀子把没有导线的部分的蜡“刻”下去，然后把这块板子扔到腐蚀液里，没有蜡覆盖的地方就会被腐蚀掉，然后你把它拿出来，集成电路板就做好了。

嗯，有点意思，你继续说吧，光栅刻线怎么做出来的。

做光栅尺的时候呢，也是这个样子，但是光栅尺上的栅距非常非常小，间距是微米级别的，已经没有任何物理的刀子可以去刻出来了，这个时候我们就用“光刻”了。

因为光可以被分的很纤细的，光刻是在被刻材料表面铺一层感光膜，然后用光去照它，被光照到的地方，感光膜就会被“烧掉”，然后这个时候你用一个上面画着刻线的“纸片”，去挡一下光，这样就把光栅要保留的地方留下来了，然后扔到对应的液体里一泡，光栅尺也就做好了。

好的，我终于明白了。

罗罗，我还有一个问题。

增量式光栅尺和绝对式光栅尺有什么区别？分别用于什么场合？

增量式光栅由周期性刻线组成。位置信息的读取需要参考点，通过和参考点的对比，来计算移动平台所在的位置。

由于必须用绝对参考点确定位置值，因此增量光栅尺上，还刻有一个或多个参考点。由参考点确定的位置值，可以精确到一个信号周期，也就是分辨率。绝大多数场合，都使用这种光栅尺，因为它比绝对式光栅尺便宜。

而绝对式光栅，绝对位置信息来自光栅码盘，它由一系列刻在尺子上的绝对码组成。所以，编码器通电时，就可立即得到位置值，并随时供后续信号电路读取，不用移动轴，执行参考点回零操作。

因为回零会浪费一定时间，如果机器有多个轴，那么回零循环可能变得既复杂又耗时。这种情况下，使用绝对式光栅尺是有利的。

另外，从速度和精度方面考虑，增量式光栅的最大扫描速度，取决于接收电子装置的最大输入频率 (MHz) ，和所需的分辨率。但是，由于接收电子装置的最大频率已固定，所以提高分辨率将导致最大速度相应降低，反之亦然。

而绝对式光栅，不会受到这种情况的影响，可确保高速和高分辨率运行。这是因为，位置根据需求和使用串行通信确定。绝对式光栅最典型的应用，是表面贴装技术 (SMT) 行业中的贴片机，在该行业中，同时提高定位速度和精度，是永远追求的目标。

好的，明白了。

一般根据哪些数据去选择合适的光栅尺呢？

第一，  是精度。

第二，  分辨率。

第三，行程。

第四，最大检测速度。

第五，电接口及电线长度。

第六，安装方式及安装空间。

第七，抗振动性能。

第八，价格。绝对式光栅尺一般贵20%。

一般来说，精度和分辨率是我们选择光栅尺的首要因素。

那我想问了，如何根据定位精度，或者是重复定位精度要求，来选择光栅尺？

这个，我举个例子吧。

比如，要做一个行程100mm，系统定位精度是±0.01mm(±10um)的移动平台，我们可以选择行程是120mm，精度是±0.5um/1m，分辨率是0.02/10=0.002mm的光栅尺。

这样，行程有20mm的余量，可以用于做硬件保护，而光栅尺本身的精度±0.5um也很常见。

关于分辨率，之所以取定位精度的1/10来选择分辨率，是因为存在控制误差，通常在±10cnt，这里所说的1cnt，是指的，在光栅尺本身分辨率基础之上，做了细分处理之后的分辨率，通常有4倍或者8倍细分。

比如4倍细分，那么上面分辨率为0.002mm的光栅尺，分辨率将达到0.002mm/4=0.5um。±10cnt也就是±5um，留了一倍的余量，这个主要考虑，系统还存在机械误差，比如传动系统，结构刚性等，这些因素也会吃掉一部分精度。当然这些是几何误差的范畴，可以通过测量，获得误差曲线，进行一部分的补偿，但是，还是有不一部分动态误差，无法补偿。

另外，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。一般来说，系统的重复定位精度的数值为定位精度的1/2～1/3，最多不会超过一个数量级，即1/10。比如，此例子中，一般来说重复定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之间。

当然，还有一点，系统的重复定位精度，一般介于分辨率和定位精度之间。

好了，关于光栅尺的选择，我就说这么多吧。

好的，罗罗，我可以再问最后一个问题吗？

你问题真多，说吧。

光栅尺的安装最需要注意的地方是什么？说一两点就可以了。

第一，我觉得需要预留好调整空间吧，因为很多时候空间不足，不好调整读数头，造成调试花太多时间，维护也很麻烦。安装后必须进行精确调整，根据指示灯的颜色来判断调整好坏。

另外，一般光栅尺的安装面，要和导轨面保持一定的平行度，比如0.1mm，这个要求，往往比安装的摇摆平行度要求高一倍，比如摇摆平行度要求0.2mm。

好的，我明白了，感谢你的回答。

客气了。