光柵尺的原理是什么？怎么選擇,？供應商都沒講明白,，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雜得多,？

沒錯,。實際原理確實復雜很多：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,，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并不能推導出±10um/1000mm,，因為這里沒有線性關系，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,？

通常還和導軌的精度、結構剛性,、光柵尺和末端點的距離有關系,，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系,。

通常導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，而我們關心的位置通常不是光柵尺位置,，而是結構上功能點的位置,，也就是存在阿貝誤差,。

結構剛性，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致最大速度相應降低,，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用,，是表面貼裝技術 (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)，結構剛性等,，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,，我們并不關心絕對定位精度，而只關心重復定位精度,。一般來說,，系統(tǒng)的重復定位精度的數(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)的重復定位精度,，一般介于分辨率和定位精度之間。

好了,，關于光柵尺的選擇,，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總結的不錯。

關于光柵尺長度,，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總結的不錯。<br>
<br>
關于光柵尺長度,，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