光栅尺工作原理

光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。

光栅尺是一种利用光的干涉（莫尔条纹现象）进行精密位置测量的装置。其核心工作原理可以概括如下：

核心结构：光栅对
- 标尺光栅： 一条固定在被测设备基座（如机床床身）上的长尺。它表面刻有密集、均匀、等间距的反射或透射平行刻线（称为栅线）。刻线间距（称为栅距）通常在20微米（µm）到100微米之间，非常精密。
- 指示光栅（读数头光栅）： 一个固定在可移动的读数头内部的小块光栅。其刻线间距与标尺光栅完全相同（或非常接近）。读数头安装在设备的运动部件（如工作台）上，可以沿着标尺光栅移动。
光学现象：莫尔条纹
- 当读数头在标尺光栅上移动时，指示光栅的刻线与标尺光栅的刻线会产生相对重叠。
- 由于两片光栅刻线间距相同但存在一个微小的夹角（或者即使平行，但因制造公差也有微小差异），在光线照射下，两组刻线重叠的区域会形成明暗相间的干涉条纹，这就是莫尔条纹（Moire Fringes）。
- 莫尔条纹的特性：
  - 放大效应： 莫尔条纹的间距（相邻明条纹或暗条纹之间的距离）远大于光栅本身的栅距（通常大几百到几千倍）。例如，栅距20µm的光栅，产生的莫尔条纹宽度可能达到几毫米。
  - 运动放大： 当指示光栅相对于标尺光栅移动一个栅距时，莫尔条纹会移动一个条纹间距。由于条纹间距远大于栅距，微小的光栅位移被光学放大成容易检测的条纹移动。
光电转换：条纹信号检测
- 在读数头内部，光源（通常为红外LED或激光二极管）发出的光照射到这对光栅上。
- 穿过或反射回来的光线，因莫尔条纹的存在而呈现出明暗变化的条纹图案。
- 在莫尔条纹的路径上，安装有光电探测器（通常是4个按特定空间顺序排列的光电池或光电二极管阵列）。
- 当光栅尺移动时，莫尔条纹在探测器阵列上扫过。探测器感受到光强的明暗变化，将其转换成周期性变化的电信号（通常接近正弦波）。
电子信号处理：辨向与计数
- 4个探测器输出4路电信号（通常是两对：Sin和-Cos信号；Cos和-Cos信号）。这4路信号在相位上依次相差90度。
- 信号处理电路（电子细分装置）接收这4路正弦/余弦信号：
  - 辨向： 比较Sin和Cos信号的相位关系（谁领先90度），可以判断读数头（及设备）是向正方向移动还是反方向移动。
  - 计数： 对信号周期进行计数。每当光栅尺移动一个栅距，电信号变化一个周期。信号处理电路会对这个周期的整数部分（过零点）进行计数。
  - 细分： 更重要的是，通过对正弦波信号进行高倍电子细分（内插），可以检测到信号一个周期内更微小的变化（如将正弦波的一个周期分成1000份或更多），从而测量出小于一个栅距的位移量（例如，将20µm细分为0.02µm或更高分辨率）。这是实现纳米级分辨率的关键。
  - 信号合成： 将计数器得到的栅距整数倍位移和细分电路得到的小数部分位移相加，最终得到读头移动的精确绝对位置（对于绝对式光栅尺）或相对位移量（对于增量式光栅尺）。
输出与显示
- 处理后的位置信号（数字脉冲或数字总线数据，如SSI, EnDat, BiSS等）被送到光栅尺的数字显示表或数控系统（如CNC机床的控制器），显示设备运动的实际位置坐标或控制电机进行精确定位。

总结： 光栅尺的工作原理巧妙利用了光的干涉形成放大的莫尔条纹，通过光电探测器将条纹明暗变化转化为电信号，再经电子细分和信号处理（辨向和计数），最终输出高精度的位移或位置测量值。其高精度（可达微米甚至纳米级）、高分辨率、非接触式测量和长行程等特点，使其成为精密加工机床、测量设备等领域不可或缺的关键位置反馈元件。