参考资料：光栅尺的原理是什么？怎么选择？供应商都没讲明白，6年了我第一次听懂

1. 光栅尺原理

1.1 简单理解

很多运动平台，都会用到光栅尺，用来做闭环控制，光栅尺，简单理解就是一把尺子。

打个比方，游标卡尺都用过吧，再或者卷尺用过吧，尺子上面有刻度，这些刻度作为基准，你只需要把要测的物件，和卡尺上的刻度做比较，就可以用来衡量长度、大小、深度等信息。

同样地，光栅尺上也有“刻度”，这种刻度叫光栅，是通过光刻刻在尺子上的，只不过，它不是通过人眼来读取信息，而是通过配套的读数头，来读取位置信息。

1.2 实际原理

实际原理复杂很多：光栅是在玻璃或钢带尺上，制作的一系列条纹和狭缝，一个条纹和一个狭缝的宽度称为栅距，常见栅距20um。

读数头每扫描一个栅距，就产生一个正弦波信号周期，此信号再通过一个电子电路进行细分（读数头内置的或者外部细分盒），比如5，10，50，100倍的细分，所以可以达到很高的分辨率。

比如，一个20um栅距，经过50倍细分，那一个周期就是0.4um，这就是厂商说的分辨率。

接下来说明一下光栅尺的工作原理：

如下图，读数头中有和尺体栅距一样的指示光栅（Scanning reticle），并且读数头中本身有LED光源，当读数头相对于光栅尺（Scale）移动时，LED光在经过了聚焦镜后（Condenser lens），照射到光栅尺上，然后光通过光栅狭缝，衍射到读数头的光电探测器上（Photocells），这样就在探测器平面上，产生了明暗相间的正弦干涉条纹。

接着，探测器把这些条纹，转换成正弦波变化的电信号，再经过电路的放大和整形后，得到两个相位差90度的正弦波，或方波信号A和B。正弦波或方波的周期数，与移动距离成正比。尺体正向移动时，A信号超前B信号90度，尺体反向移动时，A信号滞后B信号90度。

下面的动图详细地说明了光栅尺的工作流程。

需要注意的是，实际情况，光电探测器和LED在光栅尺的同一侧，都集成在读数头中。当光照射到光栅尺后，有一部分光会反射回去，然后通过聚焦镜，照射回光电探测器，形成电信号。

2. 光栅尺的精度

光栅尺的精度一般是±15μm，±5μm，±3μm，±1μm。

需要注意的是，这里说的精度，是光栅尺的制造误差，指每走1m实际可能的误差，而如果小距离行走，误差会更小，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，这是光栅的本身制造精度，也是选择光栅尺的一个重要参考。

比如，我们经常希望一个轴的定位精度是±3um/100mm或者±5um/100mm之类的，那么选择光栅尺的时候，首先，它的精度就要比这个要求高，比如±0.5um/100mm或者±1um/100mm。

另外，这里±1um/100mm并不能推导出±10um/1000mm，因为这里没有线性关系，往往光栅尺本身，会标注一两个短行程误差。比如精度±10um/m，往往100mm内的误差会小于±1um。

当然，读数头在细分信号的时候，也会引入误差，叫做差分误差，不过这个误差很小。比如一根光栅尺，栅距20um，分辨率为0.1um，周期误差（电子细分误差SDE）±0.15um。指的是栅距为20um的光栅，经过200倍细分，分辨率是20/200=0.1um，在这20um的栅距内，因为系统信号处理带来的误差是±0.15um。

3. 增量式光栅尺和绝对式光栅尺

3.1 增量式光栅尺

增量式光栅由周期性刻线组成。位置信息的读取需要参考点，通过和参考点的对比，来计算移动平台所在的位置。

由于必须用绝对参考点确定位置值，因此增量光栅尺上，还刻有一个或多个参考点。由参考点确定的位置值，可以精确到一个信号周期，也就是分辨率。绝大多数场合，都使用这种光栅尺，因为它比绝对式光栅尺便宜。

但是从速度和精度方面考虑，增量式光栅的最大扫描速度，取决于接收电子装置的最大输入频率 (MHz) ，和所需的分辨率。但是，由于接收电子装置的最大频率已固定，所以提高分辨率将导致最大速度相应降低，反之亦然。

3.2 绝对式光栅尺

绝对式光栅，绝对位置信息来自光栅码盘，它由一系列刻在尺子上的绝对码组成。所以，编码器通电时，就可立即得到位置值，并随时供后续信号电路读取，不用移动轴，执行参考点回零操作。

因为回零会浪费一定时间，如果机器有多个轴，那么回零循环可能变得既复杂又耗时。这种情况下，使用绝对式光栅尺是有利的。

并且，绝对式光栅，不会接收电子装置的最大输入频率的影响，可确保高速和高分辨率运行。这是因为，位置根据需求和使用串行通信确定。绝对式光栅最典型的应用，是表面贴装技术 (SMT) 行业中的贴片机，在该行业中，同时提高定位速度和精度，是永远追求的目标。

4. 光栅尺如何选型

第一，是精度。
第二，分辨率。
第三，行程。
第四，最大检测速度。
第五，电接口及电线长度。
第六，安装方式及安装空间。
第七，抗振动性能。
第八，价格。绝对式光栅尺一般贵20%。

一般来说，精度和分辨率是我们选择光栅尺的首要因素。

比如，要做一个行程100mm，系统定位精度是±0.01mm(±10um)的移动平台，我们可以选择行程是120mm，精度是±0.5um/1m，分辨率是0.02/10=0.002mm的光栅尺。

这样，行程有20mm的余量，可以用于做硬件保护，而光栅尺本身的精度±0.5um也很常见。

关于分辨率，之所以取定位精度的1/10来选择分辨率，是因为存在控制误差，通常在±10cnt，这里所说的1cnt，是指的，在光栅尺本身分辨率基础之上，做了细分处理之后的分辨率，通常有4倍或者8倍细分。

比如4倍细分，那么上面分辨率为0.002mm的光栅尺，分辨率将达到0.002mm/4=0.5um。±10cnt也就是±5um，留了一倍的余量，这个主要考虑，系统还存在机械误差，比如传动系统，结构刚性等，这些因素也会吃掉一部分精度。当然这些是几何误差的范畴，可以通过测量，获得误差曲线，进行一部分的补偿，但是，还是有不一部分动态误差，无法补偿。

另外，很多时候，我们并不关心绝对定位精度，而只关心重复定位精度。一般来说，系统的重复定位精度的数值为定位精度的1/2～1/3，最多不会超过一个数量级，即1/10。比如，此例子中，一般来说重复定位精度在±0.01mm/2～±0.01mm/10=±0.005mm～±0.001mm之间。

当然，还有一点，系统的重复定位精度，一般介于分辨率和定位精度之间。