前段時(shí)間我們一起了解了關(guān)于閉環(huán)控制在壓電控制中的技術(shù)必要性。而在眾多閉環(huán)控制反饋單元中，光柵尺憑借高精度、高穩(wěn)定性和寬測(cè)量范圍的優(yōu)勢(shì)，成為了閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的反饋器件。

光柵尺可分為絕對(duì)值光柵尺和增量式光柵尺。雖然絕對(duì)值光柵尺具有開(kāi)機(jī)無(wú)需歸零的特點(diǎn)，但因其系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。應(yīng)用更加廣泛的是增量式光柵尺。本文將圍繞增量式光柵尺的核心構(gòu)成、工作機(jī)制等方面，介紹其原理與特性。

光柵尺的核心構(gòu)成

增量式光柵尺閉環(huán)系統(tǒng)的核心功能實(shí)現(xiàn)依賴標(biāo)尺光柵與讀數(shù)頭的協(xié)同工作，二者的制造精度直接決定了系統(tǒng)的測(cè)量下限。

標(biāo)尺光柵作為位移測(cè)量的基準(zhǔn)部件，通常以玻璃或金屬為基片，表面通過(guò)光刻或蝕刻工藝刻制大量等距平行的柵線，形成周期性的光學(xué)結(jié)構(gòu)。柵線的線密度是核心參數(shù)之一，常規(guī)范圍為 50-1000刻線/mm，柵線周期（即相鄰兩條柵線的間距）與線密度呈反比關(guān)系，直接決定了系統(tǒng)的基礎(chǔ)分辨率。例如，100刻線/mm 的標(biāo)尺光柵，其柵線周期為 10μm，為后續(xù)的高精度細(xì)分測(cè)量提供了基礎(chǔ)基準(zhǔn)。

讀數(shù)頭作為信號(hào)采集核心，集成了完整的光學(xué)系統(tǒng)與光電轉(zhuǎn)換部件，是實(shí)現(xiàn)位移 - 電信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。其中，光源模塊通常采用 LED 或激光光源，LED 光源具有成本低、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，激光光源則具備更高的單色性和準(zhǔn)直性，可適應(yīng)更高精度測(cè)量需求；準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散光轉(zhuǎn)化為平行光，確保光線垂直入射至光柵面；指示光柵與標(biāo)尺光柵保持微小間隙平行放置，其柵線周期與標(biāo)尺光柵一致，共同形成莫爾條紋；光電探測(cè)器多采用 CCD 或光電二極管，負(fù)責(zé)將莫爾條紋的明暗變化轉(zhuǎn)化為可處理的電信號(hào)。

光柵尺的工作機(jī)制

增量式光柵尺閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程可分為光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理和閉環(huán)調(diào)節(jié)三個(gè)核心階段，實(shí)現(xiàn)了從物理位移到精準(zhǔn)控制的完整鏈路。

在光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換階段，當(dāng)標(biāo)尺光柵隨器件移動(dòng)時(shí)，標(biāo)尺光柵與讀數(shù)頭內(nèi)的指示光柵發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者的柵線相互干涉形成莫爾條紋。莫爾條紋具有顯著的放大效應(yīng)，可將微小的柵線相對(duì)位移轉(zhuǎn)化為明顯的條紋移動(dòng)，且條紋移動(dòng)量與位移成正比關(guān)系，位移方向則決定了條紋的移動(dòng)方向。光電探測(cè)器感知條紋的明暗變化，將其轉(zhuǎn)化為幅值在 50-500mV 范圍內(nèi)的正弦 / 余弦或其它模擬電信號(hào)，完成位移信息的光學(xué) - 電學(xué)轉(zhuǎn)換。

如下圖所示，柵線周期d1=d2，兩組光柵的傾斜角度差是θ，w是相鄰兩條莫爾條紋的垂直距離。利用三角函數(shù)關(guān)系w=d/sinθ。比如柵線周期是上文描述的10μm=0.01mm，如果兩組光柵夾角0.1°，則w=0.01/sin0.1°≈5.73mm，相當(dāng)于把微小的柵線周期 “放大” 了近 600 倍！

電信號(hào)處理階段是提升測(cè)量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原始的正弦 / 余弦或其它模擬信號(hào)幅值較小且可能伴隨噪聲干擾，首先需經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)與濾波去噪。隨后進(jìn)入細(xì)分電路，通過(guò)電子細(xì)分技術(shù)對(duì)正弦 / 余弦信號(hào)的周期進(jìn)行等分處理，細(xì)分倍數(shù)可達(dá)到 100-10000 倍，大幅提升系統(tǒng)分辨率。例如，對(duì)于柵線周期 10μm 的標(biāo)尺光柵，經(jīng) 1000倍細(xì)分后，系統(tǒng)可分辨的最小位移量達(dá)到 10nm。最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將細(xì)分后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，輸出至控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

閉環(huán)調(diào)節(jié)階段實(shí)現(xiàn)誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。控制器接收位移數(shù)字量反饋信號(hào)后，與預(yù)設(shè)的目標(biāo)位移值進(jìn)行差值運(yùn)算，得到位移偏差信號(hào)。基于該偏差信號(hào)，控制器通過(guò) PID 控制算法或自適應(yīng)控制算法進(jìn)行運(yùn)算，生成相應(yīng)的控制指令，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)位移達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，偏差信號(hào)為零，驅(qū)動(dòng)電壓保持穩(wěn)定；若出現(xiàn)誤差擾動(dòng)，偏差信號(hào)觸發(fā)電壓調(diào)節(jié)，直至誤差回歸允許范圍。該調(diào)節(jié)過(guò)程響應(yīng)迅速，系統(tǒng)響應(yīng)帶寬通?！?kHz，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)誤差的快速補(bǔ)償。

綜上，盡管增量式光柵尺開(kāi)機(jī)需執(zhí)行回零操作，但依托其獨(dú)特的工作原理與核心特性，不僅能精準(zhǔn)完成位移檢測(cè)，更可通過(guò)與控制算法的協(xié)同配合，構(gòu)建起穩(wěn)定可靠的精密閉環(huán)調(diào)節(jié)，為相關(guān)設(shè)備的高精度運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)支撐。

光柵尺作為閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用反饋器件，聯(lián)合光科的電動(dòng)位移臺(tái)，壓電納米位移臺(tái)，電動(dòng)馬達(dá)等均有采用光柵尺用作閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)位置的精準(zhǔn)控制，能夠滿足客戶對(duì)高精度需求，歡迎大家咨詢！

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