[0001] 本发明实施例涉及位置测量技术领域，特别是涉及一种光栅尺读数头、光栅尺接头及光栅尺位移传感器。

[0002] 随着光学技术的快速发展，光学测量技术也得到了相应的发展，光栅尺位移传感器，简称光栅尺，广泛应用于数控机床的闭环伺服系统的机械角位移或直线位移的测量中。

[0003] 光栅尺位移传感器为利用光栅光学原理工作的精密测量反馈装置，包括标尺光栅和光栅读数头，通常标尺光栅固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。目前，公知的用来精密测量物体的移动位移的工具的光栅尺主要包括增量式和绝对式两种。由于绝对式光栅尺不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量，无需进行归零；且测量精度高、抗干扰能力强、稳定性高、绝对编码范围大，可测量较大量程的线性位移，还可以进行非线性修正，所以绝对式光栅尺作为位置测量工具在工业中的应用越来越广。

[0004] 光栅尺位移传感器读数的基本原理为：光源出射光线经会聚透镜照射到由标尺光栅构成的光栅尺主体上，标尺光栅相对指示光栅的位移通过光敏元件转换成数字信息号进行后处理，标尺光栅外各部件组合在一起构成一个整体，称为光栅尺读数头。光栅读数头利用光栅原理把输入的位移量转换成相应的电信号。指示光栅比标尺光栅短得多，标尺光栅的长度决定了测量范围。在工作时，光栅尺的标尺光栅和读数头分别被固定在两个相对运动的机械部件上，机械部件运动时带动标尺光栅和读数头做相对直线运动，两条光栅由于光照的干涉和衍射产生莫尔条纹，莫尔条纹通过光敏元件转化成正弦变化的电信号。经过数据电路处理后得到相对位置信息。

[0005] 由于光栅尺位移传感器的制作工艺复杂且生产成本较高，一般传统的光栅尺位移传感器中的标尺光栅为一条整条光栅，但是，实际生产中技术的制约使得刻划的标尺光栅长度不理想。由于标尺光栅的长度决定了测量范围，所以增长标尺光栅的长度可以直接扩大光栅尺的测量范围。在多根标尺光栅拼接为长尺，相邻标尺光栅并不能实现无缝对接，而相关技术在测量移动位移值时忽略相邻标尺光栅缺口处的长度信息，导致测量得到的位移值误差较大，难以满足位移测量的高精度需求。

[0037] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

[0039] 在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

[0040] 首先参见图1，图1为本发明实施例提供的光栅尺读数头在一种具体实施方式下的结构示意图，应用于多个标尺光栅拼接为光栅尺主体的光栅尺位移传感器，且各标尺光栅相接处的缺口的长度值大于光栅刻线间距的两倍，本发明实施例可包括以下内容：

[0041] 光栅尺读数头1包括微处理器11、第一读数传感器12和第二读数传感器13。

[0042] 其中，第一读数传感器12和第二读数传感器13均与微处理器11相连，且二者设置在沿着光栅尺移动方向上。光栅尺位移传感器的相邻标尺光栅的缺口的长度d预先设定不小于标尺光栅上两条相邻光栅刻线间距的2倍，第一读数传感器12和第二读数传感器13在沿光栅尺移动方向的间距可设置为1.5d-2.5d。兼顾光栅尺读数头1的体积、读数传感器的体积和测量准确度，第一读数传感器12与第二读数传感器13沿光栅尺移动方向的间距为缺口长度的2倍。

[0043] 可以理解的是，第一读数传感器12和第二读数传感器13可为结构、功能参数完全相同的读数传感器，用于实时读取光栅尺在移动过程中的位移值。可选的，第一读数传感器12和第二读数传感器13中的一个可作为判断光栅尺缺口的传感器，另一个可作为记录光栅尺移动位置值的传感器，当然，此处所说的判断光栅尺缺口是需要结合两个读数传感器读取值的差别来判断。

[0044] 在本实施例中，微处理器11用于当根据第一读数传感器12、第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值判定当前光栅尺位移值需要进行缺口补偿，根据第一读数传感器、第二读数传感器读取的光栅尺移动位移值和光栅尺移动方向计算光栅尺的实际移动位移值。在实际应用过程，微处理器11的功能实现方法可如下所述：

[0045] 微处理器11在判定当前光栅尺位移值需要进行缺口补偿的过程可包括：

[0046] 获取第一读数传感器12读取的第一光栅尺移动位移值，及第二读数传感器13读取的第二光栅尺移动位移值，并计算第一光栅尺移动位移值和第二光栅尺移动位移值的差值。

[0047] 理论上，若没有经过两根标尺光栅对接的缺口位置，第一光栅尺移动位移值和第二光栅尺移动位移值应该相同，但是由于设备精度、应用场景以及外界干扰，通常情况下二者是不同的，存在微小的误差，但是，第一光栅尺移动位移值和第二光栅尺移动位移值的差值不会超过误差阈值，误差阈值可经过多次试验获取或者是本领域技术人员人员的经验所得，本申请对此不做任何限定。也就是说，若差值不大于预设误差阈值，则判定光栅尺移动位移值不需要进行缺口补偿；若差值大于误差阈值，则判定光栅尺移动位移值需要进行缺口补偿。

[0048] 一种实施方式中，在需要进行缺口补偿时，缺口补偿值的计算与光栅尺的移动方向相关，若光栅尺移动方向为第一标尺光栅指向第二标尺光栅的方向，且第一读数传感器12指向第二读数传感器13的方向与光栅尺移动方向相同，则光栅尺移动位移值的实际输出值的计算过程为：

[0049] 计算第一读数传感器12、第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值差值的绝对值；将绝对值和第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值的和作为光栅尺的实际移动位移值进行输出。

[0050] 另一种实施方式中，若光栅尺移动方向为第二标尺光栅指向第一标尺光栅的方向，且第一读数传感器12指向第二读数传感器13的方向与光栅尺移动方向相反，则光栅尺移动位移值的实际输出值的计算过程为：

[0051] 计算第一读数传感器12、第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值差值的绝对值；将绝对值和第二读数传感器读取的光栅尺移动位移值13的差值作为光栅尺的实际移动位移值进行输出。

[0052] 当不需要进行缺口补偿时，可直接将第二读数传感器13读出的位移值作为光栅尺移动位移值，或者也可直接将第一读数传感器12读出的位移值作为光栅尺移动位移值，在另外一种实施方式中，也可将第一读数传感器12、第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值取平均值，以作为光栅尺的实际移动位移值进行输出。具体选择哪种读数方式，可根据实际应用场景、第一读数传感器12及第二读数传感器13的硬件参数以及用户需求进行确定，本申请对此不做任何限定。

[0053] 可选的，为了方便数据处理，节约生产成本，光栅尺读数头1中可包括一个数据处理电路，该数据处理电路与微处理器11相连的数据处理电路，且第一读数传感器12与所述第二读数传感器13均与该数据处理电路相连。

[0054] 在本发明实施例提供的技术方案中，利用在沿光栅尺移动方向设置的第一读数传感器和第二读数传感器实时读取光栅尺移动过程中的位移值，然后根据二者位移值区别判定是否经过标尺光栅的相接的缺口位置，对经过缺口位置的光栅尺位移值进行缺口补偿，得到精度高的位移输出值，有效的提高了光栅尺位移传感器位移测量的精度，实现了在保证光栅尺位移测量精度的基础上，利用标尺光栅拼接增加光栅尺位移测量长度范围。

[0055] 本申请还提供了一种光栅尺接头，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的光栅尺接头在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

[0056] 首先，光栅尺接头0应用于多个标尺光栅拼接为光栅尺主体的光栅尺位移传感器，且其设置在各标尺光栅相接处的缺口位置处。在光栅尺位移传感器，每两根标尺光栅的缺口长度值大于标尺光栅的光栅刻线间距的两倍。

[0057] 在本实施例中，光栅尺接头0可包括光源模块21、指示光栅22和光栅尺读数头1；且沿与光栅尺移动方向相垂直的方向从下到上依次设置光源模块21、指示光栅22和光栅尺读数头1，从而可使光源模块21出射光线经指示光栅22后被光栅尺读数头1采集。

[0058] 可以理解的是，光源模块21可包含发光源和会聚透镜，可将发光源发出的光线经透镜出射至目标上。

[0059] 其中，光栅尺读数头1包括微处理器11、沿光栅尺移动方向设置的第一读数传感器12和第二读数传感器13。微处理器11用于当根据第一读数传感器、第二读数传感器读取的光栅尺移动位移值判定当前光栅尺位移值需要进行缺口补偿，根据第一读数传感器、第二读数传感器读取的光栅尺移动位移值和光栅尺移动方向计算光栅尺的实际移动位移值。本实施例中的光栅尺读数头1的各个功能模块的实现过程以及包含的结构可参阅上述实施例的描述，此处，便不再赘述。

[0060] 由上可知，本发明实施例提高了光栅尺位移传感器位移测量的精度，有利于实现通过增长标尺光栅长度以增大光栅尺位移传感器的测量范围。

[0061] 最后，本申请还提供了一种光栅尺位移传感器，请参见图3，图3为本发明实施例提供的光栅尺位移传感器在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

[0062] 一种光栅尺位移传感器可包括第一标尺光栅31、第二标尺光栅32、光源模块21、指示光栅22和光栅尺读数头1。第一标尺光栅31、第二标尺光栅32相拼接为光栅尺主体，可以理解的是，两根标尺光栅并不能实现无缝对接，因此两根标尺光栅对接时候会存在一个对接缺口，且缺口长度值预设设定大于第一标尺光栅的光栅刻线间距的两倍。

[0063] 其中，光源模块21、指示光栅22和光栅尺读数头1位于第一标尺光栅和第二标尺光栅相接的缺口处，且在沿与光栅尺移动方向相垂直的方向上从下到上依次设置，以使光源模块21出射光线经指示光栅22后被光栅尺读数头1采集。

[0064] 光栅尺读数头1可包括微处理器11、沿光栅尺移动方向设置的第一读数传感器12和第二读数传感器13。微处理器11用于当根据第一读数传感器12、第二读数传感器13读取的光栅尺移动位移值判定当前光栅尺位移值需要进行缺口补偿，根据第一读数传感器、第二读数传感器读取的光栅尺移动位移值和光栅尺移动方向计算光栅尺的实际移动位移值。

[0065] 以图3所示结构，以一个具体的实例阐述光栅尺位移传感器的读数方法：1、光栅尺读数头1的两个读数的传感器的信号线都连接的同一个数据处理电路；2、假定光栅尺的标尺光栅自左向右为正运动方向；3、光栅尺的标尺光栅自左向右移动的时候，光栅尺读数头1的两个读数的传感器同时读取光栅尺的信息，并同时从零开始记录数据；4、由于设计时设定两根标尺光栅对接的缺口丢失的长度信息比标尺光栅理论刻线距离长度信息的刻线间距的两倍要大，因此可以对比光栅尺读数头的两个读数的传感器长度信息之差以判断接口的位置，以达到补偿光栅尺接口处的读数；5、两个读数的传感器中一个(左边传感器)为判断光栅尺的接口位置，另一个(右边传感器)为记录光栅尺移动的长度；6、当接口经过两个读数的传感器时，左边传感器的长度信息减去右边传感器的长度信息的差的绝对值为接口丢失的长度信息；此时将差的绝对值数据加到右边传感器的长度信息原有的累计的长度信息上(假如光栅尺自右向左移动时，则将右边传感器的长度信息原有的累计的长度信息减去差的绝对值数据，结果为目标数据)，新的长度信息为光栅尺所走过的实际移动长度；7、读数头的右边传感器新的长度信息传输到数据处理电路，输出光栅尺的实际移动长度。

[0066] 可选的，还可包括与光栅尺读数头1相连的显示设备，可将计算得到的光栅尺位移值发送至显示设备，从而可实时显示光栅尺的移动位移值。当然，还可计算得到的光栅尺位移值发送至被测量机械的控制设备中，实现精确控制直线导轨的移动位置与速度或者是转轴转动角度与角速度。

[0067] 本发明实施例中各功能模块的功能可根据上述实施例中的具体实现，其具体实现过程可以参照上述实施例的相关描述，此处不再赘述。

[0068] 由上可知，本发明实施例提高了光栅尺位移传感器位移测量的精度，有利于实现通过增长标尺光栅长度以增大光栅尺位移传感器的测量范围。

[0069] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0070] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0071] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

[0072] 以上对本发明所提供的一种光栅尺读数头、光栅尺接头及光栅尺位移传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。