一、光柵尺的結(jié)構(gòu)

編碼器是一種可以將角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)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(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。一般將標(biāo)尺光柵固定，以光柵讀數(shù)頭的移動(dòng)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(nèi)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(chǎn)生的莫爾條紋現(xiàn)象。莫爾條紋是一種光學(xué)現(xiàn)象，在技術(shù)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(jié)果。在光柵尺中，當(dāng)我們使標(biāo)尺光柵與指示光柵產(chǎn)生一個(gè)微小夾角時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。如圖：

那么莫爾條紋為什么會(huì)產(chǎn)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(dāng)有光源照射時(shí)，交叉點(diǎn)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(yīng)、衍射效應(yīng)、干涉效應(yīng)等多種原理的影響，這個(gè)區(qū)域就出現(xiàn)亮帶。相反，距離交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)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(xué)家瑞利首先揭示出了莫爾條紋圖案的科學(xué)和工程價(jià)值，指出了通過觀察莫爾條紋的移動(dòng)來測量光柵相對(duì)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(shè)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(dòng)的柵格個(gè)數(shù)N，位移量就可以表示為x=N·d。柵格寬度已知，移動(dòng)的柵格數(shù)又該如何計(jì)算呢？

容易想到，假設(shè)有一個(gè)固定點(diǎn)，當(dāng)光線穿過光柵投射到固定點(diǎn)上時(shí)，由于光柵的移動(dòng)，那么固定點(diǎn)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(dòng)的柵格數(shù)N，但光柵上的狹縫很窄，移動(dòng)時(shí)固定點(diǎn)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(jì)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(biāo)尺光柵之間偏差的角度設(shè)為θ，指示光柵柵格寬度設(shè)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?yàn)棣群苄?，所以W=d/θ。設(shè)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(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋就會(huì)走過一個(gè)條紋間距，固定點(diǎn)也就是讀數(shù)頭中的感光元件就會(huì)經(jīng)歷一個(gè)周期的變化。這樣就可以將周期性的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦信號(hào)或者方波信號(hào)，這些電信號(hào)通過電路整形處理后就可以得到移動(dòng)的柵格數(shù)N，那么物體的位移量自然能夠計(jì)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(dòng)距離，但卻無法判斷它的運(yùn)動(dòng)方向，該怎么做呢？我們可以在讀數(shù)頭內(nèi)放置四個(gè)相差四分之一柵距的感光元件，分別是A+、A-；B+、B-。

這樣每個(gè)感光元件的輸出信號(hào)之間就會(huì)相差四分之一個(gè)周期。如圖：

A信號(hào)由A+-A-可得，B信號(hào)由B+-B-可得。

當(dāng)A信號(hào)超前B信號(hào)時(shí)尺體正向移動(dòng)。

當(dāng)A信號(hào)滯后B信號(hào)時(shí)尺體反向移動(dòng)。

有些光柵尺還可以輸出Z信號(hào)也就是回零信號(hào)。同時(shí)A信號(hào)與B信號(hào)還具有其他功能，其一：防止信號(hào)的干擾。假設(shè)，當(dāng)A信號(hào)的上升沿到來時(shí)，系統(tǒng)沒有接收到B信號(hào)的上升沿那么系統(tǒng)就不會(huì)計(jì)數(shù)?；蛘弋?dāng)A信號(hào)受到干擾產(chǎn)生了兩個(gè)上升沿那么系統(tǒng)也會(huì)排除這個(gè)干擾。因?yàn)椋?dāng)系統(tǒng)收到A的上升沿時(shí)，就會(huì)去查詢B的上升沿是否到來而不會(huì)對(duì)A信號(hào)的另一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)。其二：提高光柵尺的精度。一個(gè)完整的信號(hào)周期A信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，B信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿。計(jì)數(shù)時(shí)，每當(dāng)A信號(hào)的上升沿到來，系統(tǒng)計(jì)數(shù)一次，這就是一倍頻，使用的是光柵尺柵距的精度。當(dāng)對(duì)A信號(hào)的上升沿和下降沿分別計(jì)數(shù)時(shí)，就是二倍頻，就將一個(gè)柵距分成了兩份。當(dāng)對(duì)A信號(hào)與B信號(hào)的上升沿和下降沿都分別計(jì)數(shù)時(shí)，就是四倍頻，這樣光柵尺就可以測量更加精細(xì)的位移。如下圖所示：

五、其他類型的光柵尺

因?yàn)楣鈻懦咴跈C(jī)床中使用較多，每次重啟機(jī)器時(shí)，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(duì)式光柵尺。在增量式光柵尺上刻有一個(gè)或多個(gè)參考點(diǎn)，通過這些參考點(diǎn)確定位置信息才能夠執(zhí)行回零操作，這些參考點(diǎn)就是之前我們所說的Z軸，但是當(dāng)機(jī)器上有多個(gè)軸時(shí)回零操作會(huì)變得即復(fù)雜又耗時(shí)。在這種情況下，就可以使用絕對(duì)式光柵尺。這種光柵尺是在標(biāo)尺光柵上刻劃一條帶有絕對(duì)位置編碼的碼道。每當(dāng)機(jī)器重啟后，光柵尺可以通過讀數(shù)頭直接讀取當(dāng)前的絕對(duì)位置信息，就無需歸零操作從而簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(nèi)容。光柵尺中的精度其實(shí)是說光柵尺的制造誤差。比如±0.275μm/10mm、±0.750μm/50mm，就是說運(yùn)動(dòng)10mm和50mm可能產(chǎn)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(dǎo)出±2.75μm/100mm，它們之間是沒有這樣的線性關(guān)系的。光柵尺上標(biāo)注的分辨率，一般是經(jīng)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(gè)例子，當(dāng)光柵尺的柵距為25um，每當(dāng)尺體移動(dòng)25um時(shí)就會(huì)輸出一個(gè)周期，在經(jīng)過電路的50倍細(xì)分后尺體每移動(dòng)25um就會(huì)輸出50個(gè)周期，也就是廠家所說的分辨率為0.5um（25÷50）。需注意的是，當(dāng)尺體的移動(dòng)不超過25um時(shí)讀數(shù)頭是不會(huì)輸出周期的。

七、光柵尺的特點(diǎn)

通過以上內(nèi)容可以總結(jié)出光柵尺的特點(diǎn)有：

1很高的檢測精度，經(jīng)過細(xì)分后可以達(dá)到0.1微米的分辨率

2響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，有利于自動(dòng)化控制

3對(duì)環(huán)境的要求高，怕油污、灰塵及振動(dòng)

4安裝維護(hù)困難，成本較高。

以上就是我們對(duì)于光柵尺的內(nèi)容介紹，編碼器與光柵尺的結(jié)構(gòu)相差不大很多內(nèi)容都有共同點(diǎn)，這里就不在另行說明。

八、實(shí)驗(yàn)

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

在開始實(shí)驗(yàn)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(gè)信號(hào)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(fù)極、綠色3定義為A相信號(hào)、白色4定義為B相信號(hào)，橙色5定義為Z相信號(hào)。

下面我們進(jìn)行各設(shè)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?yàn)楣鈻懦咛峁┝?a target="_blank">電源插頭，我們將光柵尺的GND端也就是電源負(fù)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(diǎn)擊Coder，開始設(shè)置參數(shù)。

采樣率設(shè)置為10000。

通道選擇CT 0，編碼器類型選擇QuaEncodeX4，它意味著每個(gè)信號(hào)周期可發(fā)生四次增量或減量，對(duì)應(yīng)的是每個(gè)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(shè)置每脈沖表示值為5，單位是um（微米）。

點(diǎn)擊下一步，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不勾選。

觸發(fā)選擇及時(shí)出發(fā)，點(diǎn)擊完成。

將軟件橫坐標(biāo)設(shè)置為0至10000，點(diǎn)擊啟動(dòng)。光柵尺起始位置是0。

滑動(dòng)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(cè)可以直接讀出光柵讀數(shù)頭走過224.115mm(毫米)。

快速移動(dòng)光柵讀數(shù)頭，可以看到程序波形隨之而改變。

微小的移動(dòng)也會(huì)反應(yīng)到波形圖中。

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

再見。

審核編輯 黃宇