光柵尺的原理是什么？怎么選擇？供應(yīng)商都沒講明白，6年了我第一次聽懂

羅羅日記

光柵尺的原理是什么？

這個問題很多次閃現(xiàn)在我的腦海中，也多次百度，但是都解釋得不太清楚，或者一點都不形象，很難理解。

因為最近的項目上用到了1D Plus光柵尺（后續(xù)我會專門寫寫這種光柵尺的應(yīng)用），我又想起了這個基本的問題，這次，我通過多方的資源，對光柵尺，比以前有了更多的認識。

下面，我用對話的方式，分享一下。

羅羅，我們很多運動平臺，都會用到光柵尺，用來做閉環(huán)控制，我想問一下，光柵尺的原理的是什么？

光柵尺啊，簡單理解就是一把尺子。

打個比方，游標卡尺都用過吧，再或者卷尺用過吧，尺子上面有刻度，這些刻度作為基準，你只需要把要測的物件，和卡尺上的刻度做比較，就可以用來衡量長度、大小、深度等信息。

同樣地，光柵尺上也有“刻度”，這種刻度叫光柵，是通過光刻刻在尺子上的，只不過，它不是通過人眼來讀取信息，而是通過配套的讀數(shù)頭，來讀取位置信息。

你的比喻，我明白了，但是實際原理是不是要復(fù)雜得多？

沒錯。實際原理確實復(fù)雜很多：光柵是在玻璃或鋼帶尺上，制作的一系列條紋和狹縫，一個條紋和一個狹縫的寬度稱為柵距，常見柵距20um。

讀數(shù)頭每掃描一個柵距，就產(chǎn)生一個正弦波信號周期，此信號再通過一個電子電路進行細分（讀數(shù)頭內(nèi)置的或者外部細分盒），比如5，10，50，100倍的細分，所以可以達到很高的分辨率。

比如，一個20um柵距，經(jīng)過50倍細分，那一個周期就是0.4um，這就是廠商說的分辨率。

我有點明白了。不過我還想問一下：讀數(shù)頭怎么可以掃描光柵讀取數(shù)據(jù)呢？

如上圖，讀數(shù)頭中有和尺體柵距一樣的指示光柵（Scanning reticle），并且讀數(shù)頭中本身有LED光源，當讀數(shù)頭相對于光柵尺（Scale）移動時，LED光在經(jīng)過了聚焦鏡后（Condenser lens），照射到光柵尺上，然后光通過光柵狹縫，衍射到讀數(shù)頭的光電探測器上（Photocells），這樣就在探測器平面上，產(chǎn)生了明暗相間的正弦干涉條紋。

接著，探測器把這些條紋，轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過電路的放大和整形后，得到兩個相位差90度的正弦波，或方波信號A和B。

正弦波或方波的周期數(shù)，與移動距離成正比。尺體正向移動時，A信號超前B信號90度，尺體反向移動時，A信號滯后B信號90度。

如果轉(zhuǎn)換成方波信號，做4倍頻細分，一個周期里有4個上升沿，這個時候的分辨率只對應(yīng)著一個上升沿，也就是1/4周期（脈沖）。

需要注意的是，實際情況，光電探測器和LED在光柵尺的同一側(cè)，都集成在讀數(shù)頭中。當光照射到光柵尺后，有一部分光會反射回去，然后通過聚焦鏡，照射回光電探測器，形成電信號。

我明白光柵尺的原理了。

那為什么不直接用卡尺測量呢？

你真調(diào)皮，一般卡尺只能人眼讀數(shù)，怎么把你讀到的數(shù)據(jù)，傳送到機器運動軸呢，就更不用說位置沒有走對時，如何去反饋做校正了。就算你用能夠輸出讀數(shù)的卡尺，精度也沒有光柵尺的高嘛。

那一般光柵尺的精度可以達到多少？

±15μm，±5μm，±3μm，±1μm都有。

需要注意的是，這里說的精度，是光柵尺的制造誤差，指每走1m實際可能的誤差，而如果小距離行走，誤差會更小，比如±0.275μm/10mm，±0.750μm/50mm，就是說運動10mm和50mm可能產(chǎn)生的誤差分別是±0.275μm和±0.750μm，這是光柵的本身制造精度，也是選擇光柵尺的一個重要參考。

比如，我們經(jīng)常希望一個軸的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之類的，那么選擇光柵尺的時候，首先，它的精度就要比這個要求高，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。

另外，這里±1um/100mm并不能推導(dǎo)出±10um/1000mm，因為這里沒有線性關(guān)系，往往光柵尺本身，會標注一兩個短行程誤差。比如精度±10um/m，往往100mm內(nèi)的誤差會小于±1um。

當然，讀數(shù)頭在細分信號的時候，也會引入誤差，叫做差分誤差，不過這個誤差很小。比如一根光柵尺，柵距20um，分辨率為0.1um，周期誤差（電子細分誤差SDE）±0.15um。指的是柵距為20um的光柵，經(jīng)過200倍細分，分辨率是20/200=0.1um，在這20um的柵距內(nèi)，因為系統(tǒng)信號處理帶來的誤差是±0.15um。

好的，我知道了。

不過，我還想知道，光柵尺的測量精度還與哪些因素有關(guān)？

通常還和導(dǎo)軌的精度、結(jié)構(gòu)剛性、光柵尺和末端點的距離有關(guān)系，對溫度敏感的系統(tǒng)，還和環(huán)境溫度及光柵尺附近熱源有很大關(guān)系。

通常導(dǎo)軌有直線度和平行度誤差，讀數(shù)頭只能讀取到光柵尺位置的信息，而我們關(guān)心的位置通常不是光柵尺位置，而是結(jié)構(gòu)上功能點的位置，也就是存在阿貝誤差。

結(jié)構(gòu)剛性，光柵尺和末端點的距離都會影響阿貝誤差。

溫度的上升和下降，會導(dǎo)致光柵尺的熱膨脹，也會引入誤差，因為基準變化了，讀數(shù)頭會認為是光柵尺有一個微小運動。

光柵尺柵距這么小，那刻度是怎么刻上去的？光柵尺尺子一般都是哪些材料？

上面已經(jīng)提到了，光柵一般刻在玻璃或鋼帶基體上，玻璃一般用于短行程尺子，大長度尺子，比如10米、30米，用鋼帶作為基體。

至于說柵距怎么刻上去的，前面也說了，是用光刻的原理刻上去的。

那光刻是個什么東西？我不是很理解，你能解釋一下嗎？

好吧，我來打個比方。

比如說，你看集成電路板，上面不是有一條一條金屬線么？

那個線不是畫上去的，是整個刷一層銅到硅板上，然后上面刷一層蠟，然后你用刀子把沒有導(dǎo)線的部分的蠟“刻”下去，然后把這塊板子扔到腐蝕液里，沒有蠟覆蓋的地方就會被腐蝕掉，然后你把它拿出來，集成電路板就做好了。

嗯，有點意思，你繼續(xù)說吧，光柵刻線怎么做出來的。

做光柵尺的時候呢，也是這個樣子，但是光柵尺上的柵距非常非常小，間距是微米級別的，已經(jīng)沒有任何物理的刀子可以去刻出來了，這個時候我們就用“光刻”了。

因為光可以被分的很纖細的，光刻是在被刻材料表面鋪一層感光膜，然后用光去照它，被光照到的地方，感光膜就會被“燒掉”，然后這個時候你用一個上面畫著刻線的“紙片”，去擋一下光，這樣就把光柵要保留的地方留下來了，然后扔到對應(yīng)的液體里一泡，光柵尺也就做好了。

好的，我終于明白了。

羅羅，我還有一個問題。

增量式光柵尺和絕對式光柵尺有什么區(qū)別？分別用于什么場合？

增量式光柵由周期性刻線組成。位置信息的讀取需要參考點，通過和參考點的對比，來計算移動平臺所在的位置。

由于必須用絕對參考點確定位置值，因此增量光柵尺上，還刻有一個或多個參考點。由參考點確定的位置值，可以精確到一個信號周期，也就是分辨率。絕大多數(shù)場合，都使用這種光柵尺，因為它比絕對式光柵尺便宜。

而絕對式光柵，絕對位置信息來自光柵碼盤，它由一系列刻在尺子上的絕對碼組成。所以，編碼器通電時，就可立即得到位置值，并隨時供后續(xù)信號電路讀取，不用移動軸，執(zhí)行參考點回零操作。

因為回零會浪費一定時間，如果機器有多個軸，那么回零循環(huán)可能變得既復(fù)雜又耗時。這種情況下，使用絕對式光柵尺是有利的。

另外，從速度和精度方面考慮，增量式光柵的最大掃描速度，取決于接收電子裝置的最大輸入頻率 (MHz) 和所需的分辨率。但是，由于接收電子裝置的最大頻率已固定，所以提高分辨率將導(dǎo)致最大速度相應(yīng)降低，反之亦然。

而絕對式光柵，不會受到這種情況的影響，可確保高速和高分辨率運行。這是因為位置根據(jù)需求和使用串行通信確定。絕對式光柵最典型的應(yīng)用，是表面貼裝技術(shù) (SMT) 行業(yè)中的貼片機，在該行業(yè)中，同時提高定位速度和精度，是永遠追求的目標。

好的，明白了。

一般根據(jù)哪些數(shù)據(jù)去選擇合適的光柵尺呢？

第一，  是精度。

第二，  分辨率。

第三，行程。

第四，最大檢測速度。

第五，電接口及電線長度。

第六，安裝方式及安裝空間。

第七，抗振動性能。

第八，價格。絕對式光柵尺一般貴20%。

一般來說，精度和分辨率是我們選擇光柵尺的首要因素。

那我想問了，如何根據(jù)定位精度，或者是重復(fù)定位精度要求，來選擇光柵尺？

這個，我舉個例子吧。

比如，要做一個行程100mm，系統(tǒng)定位精度是±0.01mm(±10um)的移動平臺，我們可以選擇行程是120mm，精度是±0.5um/1m，分辨率是0.02/10=0.002mm的光柵尺。

這樣，行程有20mm的余量，可以用于做硬件保護，而光柵尺本身的精度±0.5um也很常見。

關(guān)于分辨率，之所以取定位精度的1/10來選擇分辨率，是因為存在控制誤差，通常在±10cnt，這里所說的1cnt，是指的，在光柵尺本身分辨率基礎(chǔ)之上，做了細分處理之后的分辨率，通常有4倍或者8倍細分。

比如4倍細分，那么上面分辨率為0.002mm的光柵尺，分辨率將達到0.002mm/4=0.5um�！�10cnt也就是±5um，留了一倍的余量，這個主要考慮，系統(tǒng)還存在機械誤差，比如傳動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)剛性等，這些因素也會吃掉一部分精度。當然這些是幾何誤差的范疇，可以通過測量，獲得誤差曲線，進行一部分的補償，但是，還是有不一部分動態(tài)誤差，無法補償。

另外，很多時候，我們并不關(guān)心絕對定位精度，而只關(guān)心重復(fù)定位精度。一般來說，系統(tǒng)的重復(fù)定位精度的數(shù)值為定位精度的1/2～1/3，最多不會超過一個數(shù)量級，即1/10。比如，此例子中，一般來說重復(fù)定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之間。

當然，還有一點，系統(tǒng)的重復(fù)定位精度，一般介于分辨率和定位精度之間。

好了，關(guān)于光柵尺的選擇，我就說這么多吧。

好的，羅羅，我可以再問最后一個問題嗎？

你問題真多，說吧。

光柵尺的安裝最需要注意的地方是什么？說一兩點就可以了。

第一，我覺得需要預(yù)留好調(diào)整空間吧，因為很多時候空間不足，不好調(diào)整讀數(shù)頭，造成調(diào)試花太多時間，維護也很麻煩。安裝后必須進行精確調(diào)整，根據(jù)指示燈的顏色來判斷調(diào)整好壞。

另外，一般光柵尺的安裝面，要和導(dǎo)軌面保持一定的平行度，比如0.1mm，這個要求，往往比安裝的搖擺平行度要求高一倍，比如搖擺平行度要求0.2mm。

好的，我明白了，感謝你的回答。

客氣了。

DianGongN

通俗易懂，LZ總結(jié)的不錯。

關(guān)于光柵尺長度，和LZ討論一下。
我的經(jīng)驗是100mm的移動平臺，就選100mm的光柵尺，選長了沒必要，可能沒有安裝空間。
100mm的光柵尺，極限長度105mm以上，做限位保護足夠了。

277741987

光柵尺簡單地說就是線性編碼器。

3983596

學習了，感謝分享

羅羅日記

|DianGongN發(fā)表于 08-12 07:34通俗易懂，LZ總結(jié)的不錯。<br>
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關(guān)于光柵尺長度，和LZ討論一下。<br>
我的經(jīng)驗是100mm的移動平臺，就選100mm的光柵尺，選長了沒必要，可能沒有安裝空間。<br>
100mm的光柵尺，極限長度105mm以上，做限位保護足夠了。

是的，理論上是你說的這樣，如果空間緊張，測量長度比行程多幾個毫米就可以了。

我再補充一句，這里所說的長度，指的是實際可用長度，而不是光柵尺的全長，因為全長都會在可測量長度基礎(chǔ)上加一個值，用于安裝固定。

不同的廠商全長不一樣，比如海德漢，最典型的是ML+10，ML+28，ML+38。這里的ML是測量長度，Measuring length

羅羅日記

|277741987發(fā)表于 08-12 07:57光柵尺簡單地說就是線性編碼器。

是的，老鐵

羅羅日記

|3983596發(fā)表于 08-12 07:58學習了，感謝分享

感謝老鐵來頂帖

DianGongN

羅羅日記 發(fā)表于 2019-8-12 08:12
是的，理論上是你說的這樣，如果空間緊張，測量長度比行程多幾個毫米就可以了。

我再補充一句，這里所說的 ...

100mm的光柵尺，實際可用長度大于100mm。
通常，增加長度是沒有必要的。
我的測量平臺：x軸800mm y軸50mm z軸50mm；選用增量式光柵尺800，50，50。
實際可用測量空間，稍大于800*50*50。平臺說明書注明空間800*50*50。限位齊全。
800的光柵尺，在平臺中，測程做到805沒有問題。但是說明書上面依然標注800。

絕對光柵尺沒用過，也許要加長？

柳建凱

學習了

羅羅日記

|柳建凱發(fā)表于 08-12 14:13學習了

老鐵，你好