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光栅尺闭环控制：核心原理与关键特性解析
前段时间我们一起了解了关于闭环控制在压电控制中的技术必要性。而在众多闭环控制反馈单元中，光栅尺凭借高精度、高稳定性和宽测量范围的优势，成为了闭环控制系统中常用的反馈器件。
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图1 光栅尺示意图
光栅尺可分为绝对值光栅尺和增量式光栅尺。虽然绝对值光栅尺具有开机无需归零的特点，但因其系统复杂，成本较高。应用更加广泛的是增量式光栅尺。本文将围绕增量式光栅尺的核心构成、工作机制等方面，介绍其原理与特性。
光栅尺的核心构成
增量式光栅尺闭环系统的核心功能实现依赖标尺光栅与读数头的协同工作，二者的制造精度直接决定了系统的测量下限。
标尺光栅作为位移测量的基准部件，通常以玻璃或金属为基片，表面通过光刻或蚀刻工艺刻制大量等距平行的栅线，形成周期性的光学结构。栅线的线密度是核心参数之一，常规范围为 50-1000刻线/mm，栅线周期（即相邻两条栅线的间距）与线密度呈反比关系，直接决定了系统的基础分辨率。例如，100刻线/mm 的标尺光栅，其栅线周期为 10μm，为后续的高精度细分测量提供了基础基准。
读数头作为信号采集核心，集成了完整的光学系统与光电转换部件，是实现位移 - 电信号转换的关键。其中，光源模块通常采用 LED 或激光光源，LED 光源具有成本低、稳定性高的优势，激光光源则具备更高的单色性和准直性，可适应更高精度测量需求；准直透镜将发散光转化为平行光，确保光线垂直入射至光栅面；指示光栅与标尺光栅保持微小间隙平行放置，其栅线周期与标尺光栅一致，共同形成莫尔条纹；光电探测器多采用 CCD 或光电二极管，负责将莫尔条纹的明暗变化转化为可处理的电信号。
增量式光栅尺闭环控制系统的工作过程可分为光学信号转换、电信号处理和闭环调节三个核心阶段，实现了从物理位移到精准控制的完整链路。
在光学信号转换阶段，当标尺光栅随器件移动时，标尺光栅与读数头内的指示光栅发生相对运动，二者的栅线相互干涉形成莫尔条纹。莫尔条纹具有显著的放大效应，可将微小的栅线相对位移转化为明显的条纹移动，且条纹移动量与位移成正比关系，位移方向则决定了条纹的移动方向。光电探测器感知条纹的明暗变化，将其转化为幅值在 50-500mV 范围内的正弦 / 余弦或其它模拟电信号，完成位移信息的光学 - 电学转换。
如下图所示，栅线周期d1=d2，两组光栅的倾斜角度差是θ，w是相邻两条莫尔条纹的垂直距离。利用三角函数关系w=d/sinθ。比如栅线周期是上文描述的10μm=0.01mm，如果两组光栅夹角0.1°，则w=0.01/sin0.1°≈5.73mm，相当于把微小的栅线周期 “放大” 了近 600 倍！
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电信号处理阶段是提升测量精度的关键环节。原始的正弦 / 余弦或其它模拟信号幅值较小且可能伴随噪声干扰，首先需经过前置放大电路进行信号增强与滤波去噪。随后进入细分电路，通过电子细分技术对正弦 / 余弦信号的周期进行等分处理，细分倍数可达到 100-10000 倍，大幅提升系统分辨率。例如，对于栅线周期 10μm 的标尺光栅，经 1000倍细分后，系统可分辨的最小位移量达到 10nm。最后通过模数转换电路将细分后的模拟信号转化为数字量，输出至控制器进行后续处理。
闭环调节阶段实现误差的实时补偿。控制器接收位移数字量反馈信号后，与预设的目标位移值进行差值运算，得到位移偏差信号。基于该偏差信号，控制器通过 PID 控制算法或自适应控制算法进行运算，生成相应的控制指令，调节驱动电压。当位移达到目标值时，偏差信号为零，驱动电压保持稳定；若出现误差扰动，偏差信号触发电压调节，直至误差回归允许范围。该调节过程响应迅速，系统响应带宽通常≥1kHz，可实现对动态误差的快速补偿。
综上，尽管增量式光栅尺开机需执行回零操作，但依托其独特的工作原理与核心特性，不仅能精准完成位移检测，更可通过与控制算法的协同配合，构建起稳定可靠的精密闭环调节，为相关设备的高精度运行提供坚实支撑。
光栅尺作为闭环控制系统中常用反馈器件，联合光科的电动位移台，压电纳米位移台，电动马达等均有采用光栅尺用作闭环反馈实现位置的精准控制，能够满足客户对高精度需求，欢迎大家咨询！
图1 光栅尺示意图光栅尺可分为绝对值光栅尺和增量式光栅尺。虽然绝对值光栅尺具有开机无需归零的特点，但因其系统复杂，成本较高。应用更加广泛的是增量式光栅尺。本文将围绕增量式光栅尺的核心构成、工作机制等方面，介绍其原理与特性。
光栅尺的核心构成
增量式光栅尺闭环系统的核心功能实现依赖标尺光栅与读数头的协同工作，二者的制造精度直接决定了系统的测量下限。
标尺光栅作为位移测量的基准部件，通常以玻璃或金属为基片，表面通过光刻或蚀刻工艺刻制大量等距平行的栅线，形成周期性的光学结构。栅线的线密度是核心参数之一，常规范围为 50-1000刻线/mm，栅线周期（即相邻两条栅线的间距）与线密度呈反比关系，直接决定了系统的基础分辨率。例如，100刻线/mm 的标尺光栅，其栅线周期为 10μm，为后续的高精度细分测量提供了基础基准。
读数头作为信号采集核心，集成了完整的光学系统与光电转换部件，是实现位移 - 电信号转换的关键。其中，光源模块通常采用 LED 或激光光源，LED 光源具有成本低、稳定性高的优势，激光光源则具备更高的单色性和准直性，可适应更高精度测量需求；准直透镜将发散光转化为平行光，确保光线垂直入射至光栅面；指示光栅与标尺光栅保持微小间隙平行放置，其栅线周期与标尺光栅一致，共同形成莫尔条纹；光电探测器多采用 CCD 或光电二极管，负责将莫尔条纹的明暗变化转化为可处理的电信号。
图2 读数头原理图
光栅尺的工作机制 增量式光栅尺闭环控制系统的工作过程可分为光学信号转换、电信号处理和闭环调节三个核心阶段，实现了从物理位移到精准控制的完整链路。
在光学信号转换阶段，当标尺光栅随器件移动时，标尺光栅与读数头内的指示光栅发生相对运动，二者的栅线相互干涉形成莫尔条纹。莫尔条纹具有显著的放大效应，可将微小的栅线相对位移转化为明显的条纹移动，且条纹移动量与位移成正比关系，位移方向则决定了条纹的移动方向。光电探测器感知条纹的明暗变化，将其转化为幅值在 50-500mV 范围内的正弦 / 余弦或其它模拟电信号，完成位移信息的光学 - 电学转换。
如下图所示，栅线周期d1=d2，两组光栅的倾斜角度差是θ，w是相邻两条莫尔条纹的垂直距离。利用三角函数关系w=d/sinθ。比如栅线周期是上文描述的10μm=0.01mm，如果两组光栅夹角0.1°，则w=0.01/sin0.1°≈5.73mm，相当于把微小的栅线周期 “放大” 了近 600 倍！
图3 莫尔条纹示意图
电信号处理阶段是提升测量精度的关键环节。原始的正弦 / 余弦或其它模拟信号幅值较小且可能伴随噪声干扰，首先需经过前置放大电路进行信号增强与滤波去噪。随后进入细分电路，通过电子细分技术对正弦 / 余弦信号的周期进行等分处理，细分倍数可达到 100-10000 倍，大幅提升系统分辨率。例如，对于栅线周期 10μm 的标尺光栅，经 1000倍细分后，系统可分辨的最小位移量达到 10nm。最后通过模数转换电路将细分后的模拟信号转化为数字量，输出至控制器进行后续处理。
闭环调节阶段实现误差的实时补偿。控制器接收位移数字量反馈信号后，与预设的目标位移值进行差值运算，得到位移偏差信号。基于该偏差信号，控制器通过 PID 控制算法或自适应控制算法进行运算，生成相应的控制指令，调节驱动电压。当位移达到目标值时，偏差信号为零，驱动电压保持稳定；若出现误差扰动，偏差信号触发电压调节，直至误差回归允许范围。该调节过程响应迅速，系统响应带宽通常≥1kHz，可实现对动态误差的快速补偿。
图4 光栅尺闭环系统示意图
综上，尽管增量式光栅尺开机需执行回零操作，但依托其独特的工作原理与核心特性，不仅能精准完成位移检测，更可通过与控制算法的协同配合，构建起稳定可靠的精密闭环调节，为相关设备的高精度运行提供坚实支撑。
光栅尺作为闭环控制系统中常用反馈器件，联合光科的电动位移台，压电纳米位移台，电动马达等均有采用光栅尺用作闭环反馈实现位置的精准控制，能够满足客户对高精度需求，欢迎大家咨询！
