光栅尺：全闭环控制的位移测量传感器

光栅尺是一种全闭环控制的位移测量传感器。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，主要由标尺光栅和光栅读数头组成，光栅有增量式和绝对式。

（1）光栅原理 光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果。

衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用下式：

（a+b）（sinϕ±sinθ）=kλ

式中，a为狭缝宽度；b为狭缝间距；ϕ为衍射角；θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角；k为明条纹光谱级数（k=0，±1，±2……）；λ为波长；a+b为光栅常数。

用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的理论分辨本领

R=λ/Δλ=kN式中，N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领越高。增大缝数N，提高分辨本领是光栅的重要技术。

现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅。反射光栅使用较为广泛，按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。

（2）光栅尺的种类 在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的刻线，称为透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的刻线，称为反射光栅。计量光栅分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）。(www.xing528.com)

1）透射光栅是在玻璃表面上涂上感光材料，或是在金属镀膜上制成光栅刻线。其特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可以直接接受光的信号，因此信号的幅度大，读数头的结构比较简单。长光栅刻线之间的距离称为栅距，刻线密度一般为100～250/mm（玻璃透射光栅），栅距为4～10μm，再经过电路细分，达到微米级的分辨率（0.1μm）。

2）反射光栅是在钢直尺或不锈钢的镜面上用光刻腐蚀工艺制作的光栅。其特点是：膨胀系数很容易做到与机床材料一致，因为一般机床材料都是钢铁材料；调整比较方便；安装面积较小（因为光源与测量头在同一侧）；易于接长或制成整根的钢带光栅；不易碰碎。

（3）光栅尺读数 光栅尺读数头又称光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。读数头垂直入射光源，由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。光栅移动时产生的莫尔条纹由四块光电元件接收，得到相位彼此相差90°的正弦信号和余弦信号，经过四倍频细分整形放大电路变成方波信号，再经过反向和微分电路变成窄脉冲信号，进入数控系统位置环接口电路可逆计数器进行计数和方向判别，可以测量光栅的实际位移。其类型分为垂直入射光栅尺读数头和反射式光栅尺读数头。

（4）增量式光栅尺读数头输出电信号

1）5VTTL电平方波信号。

2）11μA电流型正弦波信号及EXE放大器。

3）约1Vpp电压型正弦波信号。

增量式直线光栅尺的当前位置可以通过以下方法确定：增量式直线光栅尺带有参考标记，通电后先设定基准点再开始扫描计数；带有距离编码的参考标记，移动距离在20～80mm，可以找到基准点。绝对式直线光栅尺不需要移动就可以提供当前位置的数据，可通过EnDat等接口来传输位置绝对值。此外，位置测量元件还有磁栅尺、旋转变压器、感应同步器、球栅尺等。