增量式光栅尺 基于光栅衍射和摩尔条纹计数原理的高精度光学传感器
发布时间：
2025-11-05
增量式光栅尺是一种基于光栅衍射和摩尔条纹计数原理的高精度光学传感器，通过检测光栅相对运动产生的条纹变化，实现位移、速度或角度的精确测量。以下是对增量式光栅尺的详细介绍：一、工作原理增量式光栅尺的测量原理是将光源透射过两个相对运动的光栅尺（标尺光栅与指示光栅）。当两光栅相对运动时，会形成摩尔条纹。通过对摩尔条纹进行计数和细分，可以得到周期内的位移变化量。同时，通过在标尺光栅上设定的参考点（如零位标记），可以确定整周期的绝对位置。具体来说，绝对位移量是通过对参考点的相对位移累加获得的。在一个信号周期内细分后所得到的是周期内的绝对测量值，超过一个信号周期外则是相对参考点的相对测量值，需要将周期内的绝对位移加上周期外的相对位移，才能得出最终的绝对位移量。二、结构特点增量式光栅尺主要由光栅尺运动副（包括标尺光栅和指示光栅）、读数头、光源、光敏元件以及信号处理电路等组成。读数头内部设置有光源（一般采用
增量式光栅尺是一种基于光栅衍射和摩尔条纹计数原理的高精度光学传感器，通过检测光栅相对运动产生的条纹变化，实现位移、速度或角度的精确测量。以下是对增量式光栅尺的详细介绍：
一、工作原理
增量式光栅尺的测量原理是将光源透射过两个相对运动的光栅尺（标尺光栅与指示光栅）。当两光栅相对运动时，会形成摩尔条纹。通过对摩尔条纹进行计数和细分，可以得到周期内的位移变化量。同时，通过在标尺光栅上设定的参考点（如零位标记），可以确定整周期的绝对位置。具体来说，绝对位移量是通过对参考点的相对位移累加获得的。在一个信号周期内细分后所得到的是周期内的绝对测量值，超过一个信号周期外则是相对参考点的相对测量值，需要将周期内的绝对位移加上周期外的相对位移，才能得出最终的绝对位移量。
二、结构特点
增量式光栅尺主要由光栅尺运动副（包括标尺光栅和指示光栅）、读数头、光源、光敏元件以及信号处理电路等组成。读数头内部设置有光源（一般采用发光二极管LED），光源发出的光经过准直透镜后，形成平行光照射在标尺光栅和指示光栅上。透过光栅的光线被光敏元件接收，光敏元件将光信号转换为电信号。由于摩尔条纹的光强分布随光栅相对位移呈周期性变化，光敏元件输出的电信号也呈周期性变化。这些电信号通常很微弱，需要经过放大、滤波等处理，然后通过特定的接口电路进行编码和传输，将测量得到的位置信息发送给外部的控制系统（如数控系统、运动控制器等）。
三、性能优势
高精度：增量式光栅尺能够实现微米级甚至更高的测量精度，满足数控机床、坐标测量机等对位置测量精度要求极高的应用场景。
高分辨率：通过细分技术，增量式光栅尺可以将一个信号周期内的位移变化量进一步细分，从而提高测量分辨率。例如，某些增量式光栅尺的分辨率可达0.1μm甚至更高。
高可靠性：增量式光栅尺的机械平均寿命长，通常超过1亿次运动，适合长时间稳定运行。同时，其抗干扰能力强，传输距离远，能够在恶劣的工业环境中可靠工作。
成本低：相比绝对式光栅尺，增量式光栅尺的制造成本更低，适合预算有限的应用场景。
四、应用场景
数控机床：增量式光栅尺广泛用于数控机床的闭环伺服系统中，实时检测机床主轴或工作台的直线位移或角位移，确保加工精度。例如，在铣床、车床、磨床等数控机床中，增量式光栅尺能够提供高精度的位置反馈，使机床能够实现高精度的加工。
工厂自动化：在自动化生产线中，增量式光栅尺可以监控和控制运动部件的位置和速度，如传送带、机械臂等。通过实时测量运动部件的位置，增量式光栅尺能够确保自动化生产线的稳定运行，提高生产效率。
坐标测量机（CMM）：增量式光栅尺用于坐标测量机中，实现高精度几何尺寸测量。坐标测量机是一种用于测量工件几何尺寸和形状的高精度测量设备，增量式光栅尺能够为其提供高精度的位置反馈，确保测量结果的准确性和重复性。
半导体制造设备：在半导体制造设备中，如光刻机、刻蚀机等，增量式光栅尺能够实现精密定位和控制，确保芯片加工精度。半导体制造对位置精度要求极高，增量式光栅尺能够满足其高精度的测量需求。
五、局限性
相对位置测量：增量式光栅尺只能输出轴转动的相对位置，每次断电或者重新开机时需要设定参考点（回零操作）。这在对效率要求高的场景中可能不太适用，因为回零操作会浪费一定时间。
细分误差：增量式光栅尺的信号处理方式存在一定的细分误差。细分技术虽然能够提高测量分辨率，但也会引入一定的误差。这种误差可能来源于光栅尺的制造精度、信号处理电路的性能以及环境因素等。
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