采集卡与光栅尺-电子发烧友网

一、光栅尺的结构

编码器是一种可以将角位移或直线位移转换成电信号的设备。

而光栅尺则是编码器的一种，多用来测量直线位移。

光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。一般将标尺光栅固定，以光栅读数头的移动来检测位移。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件等组成。如图下图所示：

其中指示光栅又是光栅读数头的重要部分，它直接决定了光栅尺的测量精度。

二、什么是光栅？

那么光栅是什么呢？光栅就是在玻璃上刻出大量平行等间距的刻痕，刻痕为不透光部分，刻痕间的狭缝为透光部分。精制的光栅可以在1cm的宽度内刻出几千条乃至上万条的刻痕。

三、光栅尺是如何测量的

光栅尺的测量利用了光栅产生的莫尔条纹现象。莫尔条纹是一种光学现象，在技术上它是指：两条线或两物体间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。在光栅尺中，当我们使标尺光栅与指示光栅产生一个微小夹角时，就会产生莫尔条纹。如图：

那么莫尔条纹为什么会产生这样明暗相间的视觉现象呢？我们以简化图像来做解释。

如上图，当有光源照射时，交叉点近旁的部分由于不透明区域重叠，因而遮光面积最小光线可以大量穿过，又受到遮光效应、衍射效应、干涉效应等多种原理的影响，这个区域就出现亮带。相反，距离交叉点较远的区域，光栅上的不透明区域重叠部分变少，使得遮光面积变大所以就形成了暗带。

1874年英国物理学家瑞利首先揭示出了莫尔条纹图案的科学和工程价值，指出了通过观察莫尔条纹的移动来测量光栅相对位移的可能性。

以下图为例我们简单说明莫尔条纹在光栅尺中的使用。

假设我们要测量位移量x，那么只要知道光栅的栅格宽度d和移动的栅格个数N，位移量就可以表示为x=N·d。栅格宽度已知，移动的栅格数又该如何计算呢？

容易想到，假设有一个固定点，当光线穿过光栅投射到固定点上时，由于光栅的移动，那么固定点上光线的变化就是明暗交替的。

如果我们记录这种变化，就可以知道移动的栅格数N，但光栅上的狭缝很窄，移动时固定点上的明暗变化难以辨别。倘若我们能将这种现象放大那么问题就可以迎刃而解，而莫尔条纹就有这样的放大作用。

我们来计算一下，将莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，用W表示。将指示光栅与标尺光栅之间偏差的角度设为θ，指示光栅栅格宽度设为d。而且莫尔条纹的排列方向与两片光栅线夹角的平分线相垂直。

所以可得公式：

又因为θ很小，所以W=d/θ。设d=0.01mm，θ=0.001rad，则W=10mm。这样莫尔条纹就将栅距放大了一千倍，而且每当光栅移动一个栅距，莫尔条纹就会走过一个条纹间距，固定点也就是读数头中的感光元件就会经历一个周期的变化。这样就可以将周期性的光信号转化为正弦信号或者方波信号，这些电信号通过电路整形处理后就可以得到移动的栅格数N，那么物体的位移量自然能够计算。

四、光栅尺如何判断方向

通过以上方法，我们虽然求出了物体的移动距离，但却无法判断它的运动方向，该怎么做呢？我们可以在读数头内放置四个相差四分之一栅距的感光元件，分别是A+、A-；B+、B-。

这样每个感光元件的输出信号之间就会相差四分之一个周期。如图：

A信号由A+-A-可得，B信号由B+-B-可得。

当A信号超前B信号时尺体正向移动。

当A信号滞后B信号时尺体反向移动。

有些光栅尺还可以输出Z信号也就是回零信号。同时A信号与B信号还具有其他功能，其一：防止信号的干扰。假设，当A信号的上升沿到来时，系统没有接收到B信号的上升沿那么系统就不会计数。或者当A信号受到干扰产生了两个上升沿那么系统也会排除这个干扰。因为，当系统收到A的上升沿时，就会去查询B的上升沿是否到来而不会对A信号的另一个上升沿计数。其二：提高光栅尺的精度。一个完整的信号周期A信号会产生一个上升沿和一个下降沿，B信号也会产生一个上升沿和一个下降沿。计数时，每当A信号的上升沿到来，系统计数一次，这就是一倍频，使用的是光栅尺栅距的精度。当对A信号的上升沿和下降沿分别计数时，就是二倍频，就将一个栅距分成了两份。当对A信号与B信号的上升沿和下降沿都分别计数时，就是四倍频，这样光栅尺就可以测量更加精细的位移。如下图所示：

五、其他类型的光栅尺

因为光栅尺在机床中使用较多，每次重启机器时，都要确定光栅尺的位置信息，所以人们又发明出增量式光栅尺和绝对式光栅尺。在增量式光栅尺上刻有一个或多个参考点，通过这些参考点确定位置信息才能够执行回零操作，这些参考点就是之前我们所说的Z轴，但是当机器上有多个轴时回零操作会变得即复杂又耗时。在这种情况下，就可以使用绝对式光栅尺。这种光栅尺是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道。每当机器重启后，光栅尺可以通过读数头直接读取当前的绝对位置信息，就无需归零操作从而简化了系统的设计。

六、光栅尺的精度和分辨率

最后，我们介绍一下光栅尺精度和分辨率的内容。光栅尺中的精度其实是说光栅尺的制造误差。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。要注意的是如果光栅尺精度为±0.275μm/10mm并不能推导出±2.75μm/100mm，它们之间是没有这样的线性关系的。光栅尺上标注的分辨率，一般是经过分频得到的。分频方法有上文介绍过的物理分频还有一种电子电路的分频方式。举个例子，当光栅尺的栅距为25um，每当尺体移动25um时就会输出一个周期，在经过电路的50倍细分后尺体每移动25um就会输出50个周期，也就是厂家所说的分辨率为0.5um（25÷50）。需注意的是，当尺体的移动不超过25um时读数头是不会输出周期的。

七、光栅尺的特点

通过以上内容可以总结出光栅尺的特点有：

1很高的检测精度，经过细分后可以达到0.1微米的分辨率

2响应速度快，可以实现动态测量，有利于自动化控制

3对环境的要求高，怕油污、灰尘及振动

4安装维护困难，成本较高。

以上就是我们对于光栅尺的内容介绍，编码器与光栅尺的结构相差不大很多内容都有共同点，这里就不在另行说明。

八、实验

接下来我们完成一个以数据采集卡采集光栅尺位移数据的实验。本次实验所用的器材有：光栅尺、USB-3313数据采集卡。

在开始实验前我们先了解一下光栅尺的具体参数，此款光栅尺定义行程：200mm（可测量的最大距离约为220mm）、栅距：0.02m（一个信号周期）、精度：0.005mm（最小测量步距）。

光栅尺管脚定义：红色1接电源正极、黑色2接电源负极、绿色3定义为A相信号、白色4定义为B相信号，橙色5定义为Z相信号。

下面我们进行各设备间的接线：首先将采集卡的Ct 0 Src端口与A相（绿色）连接，将Ct 0 Gate端口与B相（白色）连接，将Ct 0 Z与Z相（橙色）连接。因为光栅尺提供了电源插头，我们将光栅尺的GND端也就是电源负极与采集卡的DGND端相连。将电源正极与光栅尺正极（红色）相连，将采集卡与电脑连接。