光柵與編碼器介紹
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195770.htm位置檢測裝置作為數控工具機的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，並發出反饋信號與數控裝置發出的指令信號相比較，若有偏差，經放大後控制執行部件使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等於零為止。為了提高數控工具機的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統的精度。其中以編碼器，光柵尺，旋轉變壓器，測速發電機等比較普遍，下面主要對光柵和編碼器進行說明。
光柵,現代光柵測量技術
簡要介紹：
將光源、兩塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光柵尺的輸出信號一般有兩種形式，一是相位角相差90度的2路方波信號，二是相位依次相差90度的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。下面針對輸出方波信號的光柵尺進行了討論，而對於輸出正弦波信號的光柵尺，經過整形可變為方波信號輸出。輸出方波的光柵尺有A相、B相和Z相三個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，均為W，相位差90o。Z信號可以作為較準信號以消除累積誤差。
一、柵式測量系統簡述
從上個世紀50年代到70年代柵式測量系統從感應同步器發展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合了起來，測量單位不是像雷射一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。它們有各自的優勢，相互補充，在競爭中都得到了發展。由於光柵測量系統的綜合技術性能優於其他4種，而且製造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發展得最快，技術性能最高，市場佔有率最高，產業最大。光柵在柵式測量系統中的佔有率已超過80%，光柵長度測量系統的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從60m/min，到480m/min。測量長度從1m、3m達到30m和100m。
二、光柵測量技術發展的回顧
計量光柵技術的基礎是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國物理學家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價值，直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年德國Heidenhain首創DIADUR複製工藝，也就是在玻璃基板上蒸發鍍鉻的光刻複製工藝，這才能製造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。1953年英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統，可以在一個莫爾條紋周期實現4倍頻細分，並能鑑別移動方向，這就是4倍頻鑑相技術，是光柵測量系統的基礎，並一直廣泛應用至今。
德國Heidenhain公司1961年開始開發光柵尺和圓柵編碼器，並製造出柵距為4μm（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉的圓光柵測量系統，能實現1微米和1角秒的測量分辨力。1966年製造出了柵距為20μm（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出AURODUR工藝，是在鋼基材料上製作高反射率的金屬線紋反射光柵。並在光柵一個參考標記（零位）的基礎上增加了距離編碼。在1987年又提出一種新的幹涉原理，採用衍射光柵實現納米級的測量，並允許較寬鬆的安裝。1997年推出用於絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便的應用於測量系統。現在光柵測量系統已十分完善，應用的領域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約佔85%，開啟式光柵尺約佔15%。
三、當今採用的光電掃描原理及其產品系列
光柵根據形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據光路的不同分為透射光柵和反射光柵。光米級和亞微米級的光柵測量是採用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠於光源光波波長，衍射現象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是採用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產生衍射和幹涉現象形成莫爾條紋，其測量原理稱幹涉原理。現以Heidenhain產品採用的3種測量原理介紹如下。
1.具有四場掃描的影像測量原理（透射法）
採用垂直入射光學系統均為4相信號系統，是將指示光柵（掃描掩膜）開四個窗口分為4相，每相柵線依次錯位四分之一柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產品均採用此原理，其柵距為20μm，測量步距為0.5μm，準確度為±10、±5、±3μm三種，最大測量長度3m，載體為玻璃。
2.有準單場掃描的影像測量原理（反射法）
反射標尺光柵是採用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個相互交錯並有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來，一個掃描場就可以產生相移為四分之一柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影象測量原理。由於只用一個掃描場，標尺光柵局部的汙染使光場強度的變化是均勻的，並對四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質量。與此同時，指示光柵和標尺光柵的間隙和間隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是採用這一原理。LIDA系列開式光柵其柵距為40μm和20μm，測量步距0.1μm，準確度有±5μm、±3μm，測量長度可達30m，最大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達120m/min。