别再用带电池的绝对式了！光栅尺才是真正的高精度测量利器？

光栅尺，是一种高精度的测量设备，广泛运用于工业制造和科学研究中，相信搞自动化、搞技术的小伙伴们都应该知道一些，有的绝对值式的伺服机构中，可能也会使用到这个，来做闭环控制，有光栅尺的伺服系统，可能会说带电池的绝对式是假绝对式，但是他这么说的依据是什么？为什么这么说？光栅尺到底是什么？怎么来实现绝对位置的反馈？

什么是光栅尺？

简单来说他就是一把尺子。比如说我们常见的卷尺，尺子上都会刻有相应的刻度，只要把被测物体与这个刻度相比较，就可以测量出相应的长度、高度等。同样的，光栅尺上也有刻度，只不过这个刻度是栅格，它的间隔单位更细，是通过光，刻印在尺子上的，这个刻度很难通过人眼来读取，而是需要通过配套的读取设备来读取位置信息。它其实就是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，是通过测量光的干涉原理来实现高精度的测量。



一般来说光栅尺会刻在玻璃或者钢带上，利用光制作出一系列的栅格，栅格之间的宽度称为栅距，常见的比如说有20μm。

读取设备每扫描到一个栅距就会产生一个正弦波信号，这个信号还能够进行细分，比如说5倍，10倍，50倍细分，就能够达到较高的分辨率了。比如上面20μm的栅距，经过50倍细分，那就达到了0.4μm的分辨率，这个就是厂家标的分辨率。细分方式有些是通过读取设备内置的软件通过设置实现，有些则需要外接一个处理设备。

那读取设备是如何扫描光栅读取数据的呢？



如上所述，光栅尺上的刻度是用光刻的方法刻在尺子上的，然后通过匹配的读取头读取位置信息。读取头内有一个与刻度尺等间距的扫描光栅，当读数头相对于刻度尺移动时，LED光通过聚光透镜照射刻度尺，光线穿过光栅狭缝，衍射到读取头的光电池上，从而在探测器平面上产生明暗，光电传感器再将这些条纹转变成正弦波变化的电信号，然后再经过放大整形，就可以获得两个相位差为90度的正弦波或者是方波信号。最终将光信号转化为数字信号。

有想了解的更清楚的可以看下面的视频资料：



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有没有感觉到光栅尺也有点像漫反射/镜面反射的光电传感器？



对于光栅尺来说，光电传感器和光源是在同一侧的，当光照射到光栅尺后，有一部分光会反射回去，光栅尺是通过聚焦镜，照射回光电传感器，或者光电传感器的位置会与光源位置稍微偏置一点，如下视频。可以看到，光栅尺跟普通光电传感器的原理是是基本一致的。都是利用光的反射原理。



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光栅尺的精度等级有很多种，常见的有±5μm，±3μm，±1μm。影响其精度的因素也有很多比如：

光学部分：光栅玻璃的精度、光发射源的相干性、光衰减等。

机械部分：安装精度、轴承精度和结构精度等，结构刚性。

电气部分：电源的稳定精度、读取响应和电气处理电路等。

使用后光学系统的影响：污染、衰减等。

光栅尺的制造：光栅尺的分辨率与制造有关。。

那光栅尺的20um栅格刻度是怎么刻上去的？

答案是激光干涉仪逐格曝光烧制上去的。

首先会在被刻材料上涂一层感光膜，然后用激光干涉仪照射，每产生一次干涉，感光膜就被“烧掉”了，就曝光一个刻度。然后通过浸泡显影剂，光栅尺上的凹槽被腐蚀掉，并得到光栅刻度的尺寸，最终完成光栅尺的刻度制作。与电路板蚀刻的原理比较类似。绝对式光栅尺比增量式的多了一个位置编码，能够识别出当前位置，成本更高，但是不用每次都上电回零。

不知道有没有注意到光栅尺上标注的是重复定位精度，而不是系统精度？

栅尺上标注的是重复定位精度，而不是系统精度，是因为重复定位精度是光栅尺的一个重要指标，重复定位精度是指在相同条件下，多次测量同一目标时，测量结果的一致性，即测量结果与真值的偏差。对应实际应用中，比如分料机构，伺服压机等工况，需要走固定的几个点位或固定扭力，其实就是需要重复定位精度来保证工况的一致性，因此重复精度对这种应用会更有实际意义，因此，有时候厂家会使用重复定位精度进行标注。

一般来说，重复定位精度的数值为定位精度的1/2~1/3，比如说一个定位精度在±5μm/100mm的一个光栅尺的重复定位精度可能是±1μm/100mm。

最后在安装光栅尺的时候，一定要将光栅尺安装在平面上，如果安装平面不够平，与光栅尺的导轨有一定的平行度差异，那么就会导致光栅尺的测量结果不准。


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