1：增量式光栅测量系统

增量式光栅的测量原理是将光源透射过一个光栅尺运动副两光栅尺相对运动时可形成摩尔条纹，对此摩尔条纹进行计数、细分，得到周期内的位移变化量，并通过在光栅上设定的参考点来确定整周期的绝对位置，在增量式光栅位移测量系统中应先设定一个参考点，这个参考点标记为零位，绝对位移量则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。

增量式光栅传感器具有结构简单、机械平均寿命长、可靠性高、抗干扰能力强、传输距离远、精度较高、成本低等优点。但增量式光栅传感器也具有不足，增量式光栅传总器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，同时信号处理方式存在一定的细分误差。

2：绝对式光栅测量系统

绝对式光栅的测量原理是将输出信息与位置信息一一对应，每一位置给出的是一种特定的二进制编码，该编码是唯一的，与其他位置无关，在主光棚尺上将此位省编码刻划成 系列码道.

读数头通过读取编码便可以确定绝对位置。平行光束透射过测量光栅，每一码道对应一组明暗信号，明暗信号对应于相应的二进制码，四组光电接收器的信号组成了绝对位置唯一的二进制编码，通过软件对编码进行解调便可得到相应的绝对位置。

绝对式光栅传感器重新开机后直接就可以获得绝对位置。不需要执行参考点回零操作，而且位置的计算是在该数头中完成，不需要后续的细分电路，简化了控制系统的设计，提高了系统的可靠性和工作效率，绝对式光栅尺的关键技术问题是如何对光栅尺进行位置编码和译码，现市面上很多采用多码道编码，提高了制作成本，制作工艺标准也比增量式光栅高很多。

3：国内外现状及产品

日前国外的生产企业主要有德国的海德汉公司、西班牙的发格公司、日本的三丰公司和英国的雷尼绍公司等等：其中德国海德汉公司的以生产高精度、高质量的光栅位移传感器而著称世界，其产品接近全世界总产量的半数，是光栅测量行业的领跑者。而国内主要的生产企业：长春光机所、贵阳新天、青岛榕树光学、广州信和与廊坊莱格等等

光栅尺位移量和脉冲数关系如下：

0.005mm分辨率光栅尺：一个脉冲20μ

0.001mm分辨率光栅尺：一个脉冲4μ

0.0005mm分辨率光栅尺：一个脉冲2μ

光栅尺连接PLC的过程其实就是PLC读取光栅尺输出的脉冲信号，PLC的计数器（高速计数模块）采集光栅尺的脉冲数转换为位移量。

  关于计数方向的判断是由光栅尺A、B两路信号输出具有90度的相位差来判断光栅尺的位移方向。

一、 结构和工作原理

    光栅尺由有标尺光栅（尺体）和读数头两部分组成。尺体装在移动部件上，读数头装在固定部件上。也有人把读数头装在移动部件上（针对尺体移动不方便的情况），测量效果是一样的，不一样的是信号线移动不方便。

尺体移动就是一对光栅中的主光栅（标尺光栅）和副光栅（指示光栅）进行相对位移，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹（莫尔条纹）。经过光电器件使黑白（或明暗）相同的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。有些光栅尺还输出一个Z信号（回零信号）。

二、 栅距和分辨率

    等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅，线纹的间距称为栅距。以栅距20um（50线/mm）为例，假设不用其它措施，尺体每移动20um，读数头就输出一个周期信号，输出10个周期信号，表示移动了200um。栅距越小，测量精度越高，成本越高。在保持栅距不变的情况下，把输出的周期信号进行4倍细分处理，那么每移动20um，就输出4个周期信号，每个周期信号表示移动5um。厂商就称呼这个光栅尺的分辨率是5um，但这个5um并不是指栅距是5um。如果尺体移动距离低于20um，不管是多少细分处理，结果是输出0个周期信号。

三、 供电方式和输出信号

    供电方式常见的有直流5V和24V两种。为了方便与PLC配套使用，最好选择24V供电的。

    光栅尺的输出信号多数是方波信号，常见的有两种：一种是TTL电平信号，另一种是RS422差分信号。有些厂商还能订做集电极开路输出信号（NPN和PNP两种）。对于PLC来说，不是所有信号都适用。PLC的主单元和高速计数模块（如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link计数模块AJ65BT-D62等等）可以直接接收集电极开路输出信号，集电极开路输出说白了，就是电子开关。高电平表示开关导通，低电平表示开关截止。可以接通直流电路。与集电极开路输出的旋转编码器的连接方法没有区别。NPN型与PNP型的区别：开关导通时，NPN型的电流方向是从集电极流向发射极。PNP型的电流方向是从发射极流向集电极。

    TTL电平信号输出可以用于单片机或DSP，但不能直接用于PLC。需要加一个直流电子开关模块（淘宝网有售），把TTL电平信号转换成集电极开路输出信号。对于低速移动部件，几乎没什么影响。但对于高速移动的部件，这会带来信号的延迟，甚至周期信号的丢失。

    RS422差分信号的特点是，输出A、A反相、B、B反相等4个信号。有些还能输出Z和Z反相信号。这种输出方式，可以利用两个反相信号来抵消外界的电磁干扰，特别适用于干扰恶劣的环境。PLC主单元和部分高速计数模块（如FX2N-1HC、AJ65BT-D62）不能直接接收RS422信号，需要加一个差分信号转集电极开路输出模块（淘宝网有售），把差分信号转集电极开路输出信号。这种转换接收方式所带来的问题，与TTL电平信号转换接收是一样的。有些高速计数模块（FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等）能够直接接收RS422差分信号。

    PLC主单元有外部高速计数输入端口和内置高速计数器，可用于处理光栅尺的信号。这是不是说高速计数模块就没用呢？答案是否定的。PLC主单元处理信号频率不如高速计数模块。FX2N系列接收单相信号最高60KHz，接收2相信号最高30KHz。如果使用专用比较指令，单相最高10KHz，2相信号最高5KHz。FX3U系列接收单相信号最高100KHz，接收2相信号最高50KHz。如果使用专用指令，最高不会超过60KHz。而很多高速计数模块，可以处理单相信号最高200KHz，2相信号最高100KHz。这几乎是主单元的两倍。

    我们可以计算一下，以FX3U主单元为例，假设接收2相信号（因为很多情况要根据相位差来判断部件移动方向），不使用专用指令（编程难度加大），最高响应频率是50KHz，表示每秒可以接收50000个脉冲信号，假设使用栅距为20um的光栅尺，移动一个栅距，输出一个脉冲。那么50000×20um＝1000mm。这就是说，部件移动速度最高不得超过1000mm/s。如果使用的光栅尺的分辨率是5um，每移动20um就输出4个脉冲，部件移动速度最高不得超过250mm/s。如果要使用专用指令，移动速度还得进一步降低。上述分析计算是在理论状态下进行的。实际中，还要考虑PLC主单元处理高频信号的失真、丢失计数量、程序循环执行引起的响应延迟等情况。另外，在工业生产环境中，最好使用RS422差分信号，保证系统的抗干扰能力。而PLC主单元是不能直接接收RS422差分信号。