采集卡采集编码器(光栅尺)数据
一、光栅尺的结构
编码器是一种可以将角位移或直线位移转换成电信号的设备。
图 1 编码器
而光栅尺则是编码器的一种，多用来测量直线位移。
图 2 光栅尺
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。一般将标尺光栅固定，以光栅读数头的移动来检测位移。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件等组成。如图下图所示：
图 3 光栅读数头
其中指示光栅又是光栅读数头的重要部分，它直接决定了光栅尺的测量精度。
二、什么是光栅？
那么光栅是什么呢？光栅是在玻璃上刻出大量平行等间距的刻痕，刻痕为不透光部分，刻痕间的狭缝为透光部分。精制的光栅可以在1cm的宽度内刻出几千条乃至上万条的刻痕。
图 4 光栅
三、光栅尺是如何测量的
光栅尺的测量利用了光栅产生的莫尔条纹现象。莫尔条纹是一种光学现象，在技术上它是指：两条线或两物体间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。在光栅尺中，当我们使标尺光栅与指示光栅产生一个微小夹角时，就会产生莫尔条纹。如图：
图 5 莫尔条纹
那么莫尔条纹为什么会产生这样明暗相间的视觉现象呢？我们以简化图像来做解释。
图 6 简化后指示光栅与标尺光栅所形成的夹角
如上图，当有光源照射时，交叉点近旁的部分由于不透明区域重叠，因而遮光面积最小光线可以大量穿过，又受到遮光效应、衍射效应、干涉效应等多种原理的影响，这个区域就出现亮带。相反，距离交叉点较远的区域，光栅上的不透明区域重叠部分变少，使得遮光面积变大所以就形成了暗带。
1874年英国物理学家瑞利首先揭示出了莫尔条纹图案的科学和工程价值，指出了通过观察莫尔条纹的移动来测量光栅相对位移的可能性。
图 7 瑞利
以下图为例我们简单说明莫尔条纹在光栅尺中的使用。
图 8 莫尔条纹的使用
假设我们要测量位移量x，那么只要知道光栅的栅格宽度d和移动的栅格个数N，位移量就可以表示为x=N·d。栅格宽度已知，移动的栅格数又该如何计算呢？
容易想到，假设有一个固定点，当光线穿过光栅投射到固定点上时，由于光栅的移动，那么固定点上光线的变化就是明暗交替的。
图 9 光栅的交替变化
如果我们记录这种变化，就可以知道移动的栅格数N，但光栅上的狭缝很窄，移动时固定点上的明暗变化难以辨别。倘若我们能将这种现象放大那么问题就可以迎刃而解，而莫尔条纹就有这样的放大作用。
我们来计算一下，将莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，用W表示。将指示光栅与标尺光栅之间偏差的角度设为θ，指示光栅栅格宽度设为d。而且莫尔条纹的排列方向与两片光栅线夹角的平分线相垂直。
图 10 放大作用计算
又因为θ很小，所以W=d/θ。设d=0.01mm，θ=0.001rad，则W=10mm。这样莫尔条纹就将栅距放大了一千倍，而且每当光栅移动一个栅距，莫尔条纹就会走过一个条纹间距，固定点也就是读数头中的感光元件就会经历一个周期的变化。这样就可以将周期性的光信号转化为正弦信号或者方波信号，这些电信号通过电路整形处理后就可以得到移动的栅格数N，那么物体的位移量自然能够计算。
四、光栅尺如何判断方向
通过以上方法，我们虽然求出了物体的移动距离，但却无法判断它的运动方向，该怎么做呢？我们可以在读数头内放置四个相差四分之一栅距的感光元件，分别是A+、A-；B+、B-。
图 11 读数头内放置感光元件
这样每个感光元件的输出信号之间就会相差四分之一个周期。如图
图 12 A、B相信号
A信号由A+-A-可得，B信号由B+-B-可得。
当A信号超前B信号时尺体正向移动。
图 13 正向移动
当A信号滞后B信号时尺体反向移动。
图 14 反向移动
有些光栅尺还可以输出Z信号也就是回零信号。同时A信号与B信号还具有其他功能，其一：防止信号的干扰。假设，当A信号的上升沿到来时，系统没有接收到B信号的上升沿那么系统就不会计数。或者当A信号受到干扰产生了两个上升沿那么系统也会排除这个干扰。因为，当系统收到A的上升沿时，就会去查询B的上升沿是否到来而不会对A信号的另一个上升沿计数。其二：提高光栅尺的精度。一个完整的信号周期A信号会产生一个上升沿和一个下降沿，B信号也会产生一个上升沿和一个下降沿。计数时，每当A信号的上升沿到来，系统计数一次，这就是一倍频，使用的是光栅尺栅距的精度。当对A信号的上升沿和下降沿分别计数时，就是二倍频，就将一个栅距分成了两份。当对A信号与B信号的上升沿和下降沿都分别计数时，就是四倍频，这样光栅尺就可以测量更加精细的位移。如下图所示：
图 15 倍频
五、其他类型的光栅尺
因为光栅尺在机床中使用较多，每次重启机器时，都要确定光栅尺的位置信息，所以人们又发明出增量式光栅尺和绝对式光栅尺。在增量式光栅尺上刻有一个或多个参考点，通过这些参考点确定位置信息才能够执行回零操作，这些参考点就是之前我们所说的Z轴，但是当机器上有多个轴时回零操作会变得即复杂又耗时。在这种情况下，就可以使用绝对式光栅尺。这种光栅尺是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道。每当机器重启后，光栅尺可以通过读数头直接读取当前的绝对位置信息，就无需归零操作从而简化了系统的设计。
六、光栅尺的精度和分辨率
最后，我们介绍一下光栅尺精度和分辨率的内容。光栅尺中的精度其实是说光栅尺的制造误差。比如±0.275μm/10mm、±0.750μm/50mm，就是说运动10mm和50mm可能产生的误差分别是±0.275μm和±0.750μm。要注意的是如果光栅尺精度为±0.275μm/10mm并不能推导出±2.75μm/100mm，它们之间是没有这样的线性关系的。光栅尺上标注的分辨率，一般是经过分频得到的。分频方法有上文介绍过的物理分频还有一种电子电路的分频方式。举个例子，当光栅尺的栅距为25um，每当尺体移动25um时就会输出一个周期，在经过电路的50倍细分后尺体每移动25um就会输出50个周期，也就是厂家所说的分辨率为0.5um（25÷50）。需注意的是，当尺体的移动不超过25um时读数头是不会输出周期的。
七、光栅尺的特点
通过以上内容可以总结出光栅尺的特点有：
1 很高的检测精度，经过细分后可以达到0.1微米的分辨率
2 响应速度快，可以实现动态测量，有利于自动化控制
3 对环境的要求高，怕油污、灰尘及振动
4 安装维护困难，成本较高。
以上就是我们对于光栅尺的内容介绍，编码器与光栅尺的结构相差不大很多内容都有共同点，这里就不在另行说明。
八、实验
接下来我们完成一个以数据采集卡采集光栅尺位移数据的实验。本次实验所用的器材有：光栅尺、USB-3313数据采集卡。
图 16 实验设备
在开始实验前我们先了解一下光栅尺的具体参数，此款光栅尺定义行程：200mm（可测量的最大距离约为220mm）、栅距：0.02m（一个信号周期）、精度：0.005mm（最小测量步距）。
光栅尺管脚定义：红色1接电源正极、黑色2接电源负极、绿色3定义为A相信号、白色4定义为B相信号，橙色5定义为Z相信号。
下面我们进行各设备间的接线：首先将采集卡的Ct 0 Src端口与A相（绿色）连接，将Ct 0 Gate端口与B相（白色）连接，将Ct 0 Z与Z相（橙色）连接。因为光栅尺提供了电源插头，我们将光栅尺的GND端也就是电源负极与采集卡的DGND端相连。将电源正极与光栅尺正极（红色）相连，将采集卡与电脑连接。
图 17 设备接线
打开最新的DAQ Software软件，点击Coder，开始设置参数。
图 18 点击Coder
采样率设置为10000。
图 19 设置采样率
通道选择CT 0，编码器类型选择QuaEncodeX4，它意味着每个信号周期可发生四次增量或减量，对应的是每个周期可发生四次测量步距（0.005mm）的增量或减量。在单位变换中设置每脉冲表示值为5，单位是um（微米）。
图 20 通道及单位设置
点击下一步，数据存储不勾选。
图 21 数据存储不勾选
触发选择及时出发，点击完成。
图 22 及时触发
将软件横坐标设置为0至10000，点击启动。光栅尺起始位置是0。
图 23 光栅无动作
滑动光栅尺就可以看到软件将光栅尺的数据信息表现出来，在软件右侧可以直接读出光栅读数头走过224.115mm(毫米)。
图 24 滑动光栅尺
快速移动光栅读数头，可以看到程序波形随之而改变。
图 25 快速移动光栅尺
微小的移动也会反应到波形图中。
图 26 微小移动
以上就是Smacq采集卡连接光栅尺的全部内容。希望可以对大家有所帮助。采集卡的更多内容可在网站内查看。
图 1 人的感觉器官
但随着科学研究的不断深入以及生产实践的要求
图 2 现实要求
人们要处理的数据量变得越来越多，需要的测量信息也越来越精确。这个时候传统的数据采集和记录的方法已经远远不够了。为了解决这个问题，计算机和传感器走进了人们的视野中。
图 3 计算机和传感器
计算机是一种用于高速计算的电子计算机器。它能够自动、高速处理海量的数据。计算机的发明大大提升了人类的计算能力
图 4 提高了计算能力
但它只能处理0101这样的电信号，而现实生活中大都是非电量的信号
图 5 各种物理量
如果还是用人工的办法将信息输入到计算中，那么它的效率肯定是不高的。怎么办呢？这就要用到传感器了。
图 6 传感器
传感器是一种检测装置，能够感受被测物的信息并将感受到的信息按一定的规律变换成为电信号或其它所需形式的信号输出的装置。按功能可将传感器分为：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器、扭矩传感器等。
图 7 传感器按功能分类
二、传感器与计算机的中介——数据采集卡
传感器输出的是模拟信号而计算机可以接收的是数字信号，所以想要将传感器的信号传输到计算机中还需要一个器件——模数转换器。它可以将传感器产生的电信号也就是模拟信号转化为计算机可以接收的数字信号
图 8 模数转换器（ADC）
但完成这样的任务需要对模数转换器进行电路设计、制版、焊接、编程、调试等一系列的工作才可以。为了降低使用门槛，一种使用通用计算机接口的集成了模数转换器和基本信号调理功能的数据采集设备便应运而生，也就是通常所说的数据采集卡。
图 9 采集卡的出现
三、数据采集卡的分类
我们可以按照以下两种方式选择数据采集设备。按照与计算机接口的连接方式可将采集卡分为：USB接口、PCI/PCIE、PXI/PXIE接口、RS232/485接口，以太网接口等。
图 10 按照接口分类的采集卡
这些接口类型各有优势：USB接口的设备适合小规模的系统集成和实验室应用；PCI和PXI接口的设备适合大规模的集成应用；RS-485和以太网接口的设备在远距离、分布式场景中更具优势。
若按照应用分类则可以分为专用数据采集卡和通用数据采集卡。
图 11 按应用分类的采集卡
专用数据采集卡具有针对某种特定类型传感器的信号调整电路，使得该数据采集卡与这些传感器的连接更加便捷。
图 12 专用采集卡
比如热电偶专用数据采集卡会配置有高增益的放大器和冷端补偿电路，但在专用数据采集卡上想要连接其它类型的传感器就会非常困难，所以使用更多的是通用数据采集卡。它接收的大多是电压型信号，量程为10V或5V。一般会为通用数据采集卡配置程控放大器用来扩大采集卡的应用范围。
图 13 通用数据采集卡
四、数据采集卡的简单使用
举个例子，如果我们想采集环境的湿度应该怎么做呢？首先应该选择一种湿度传感器
图 14 湿度传感器
为了适配一般类型的数据采集卡我们需要让传感器输出标准的电压信号，也就是10V或5V的电压信号。这里选择的是需要5V供电，输出电压为0～3V，对应湿度为0～100%的湿度传感器。
图 15 传感器参数
然后，我们要把湿度传感器的电压输出线连接到采集卡的模拟输入端，这样才能采集到传感器的电压信号。最后通过USB线将电脑和采集卡连接，就可以在电脑上观察分析湿度传感器所输出的信号了。
图 16 湿度传感器与采集卡的连接
这里选择的是Smacq的数据采集卡，它有配套软件可以在电脑上运行，所以我们要先调整一下软件的设置参数。勾选AI 0通道，把通道注释标注为湿度。传感器的输出是0-3V，那么量程就设置成5.12V。
图 17 勾选通道及选择量程
因为传感器输出速率较低，所以设置采样率为5就可以了。
图 18 设置采样率
勾选单位变换功能，设置传感器的单位为“%”，将传感器输出电压上限改为3V。
图 19 勾选单位变换功能
其他设置不变。取消自动调整Y标尺并将坐标量程改变为0～100。启动采集，软件就可以显示采集卡采集到的传感器输出电压。当环境湿度增加后可以明显在软件中看到数据的变化。
图 20 开始采集信号
以上这些，就是一次完整的采集湿度传感器数据的过程。在这个过程中，传感器输出的模拟电压可以很好的被采集卡所采集。那么，当我们找不到能够和数据采集卡适配的传感器时该怎么办？比如这个热电偶传感器，它产生的电压比较小，不适合直接连接到采集卡上。
图 21 热电偶
这时就要用到一种叫变送器的设备，将非标准信号转换为标准信号。
接下来我们看一看变送器对采集数据的影响。
第一次实验是将K型热电偶直接连接到采集卡的模拟输入通道上。
图 22 直接采集信号
打开软件，设置相关参数，勾选AI 7通道，由于热电偶输出的信号比较小，量程选择0.64V。
图 23 选择通道及量程
采样率设置为5。因为通用采集卡没有冷端补偿，所以不能进行单位变换。开启软件的数据采集功能，画布会显示环境温度对应的电压值，提高环境温度，数据也会发生相应的变化。
图 24 温度上升
图 25 温度下降
第二次实验将K型热电偶与变送器连接，因为变送器需要电源供电，所以与采集卡的连接方式略有不同。
图 26 利用变送器采集信号
完成连接后我们对采集卡软件进行简单设置：变送器输出的是标准的电压信号，所以通道量程不需改变。
图 27 通道量程不变
而且可以开启单位变换功能，传感器量程上限为350，下限为-130，单位是℃，传感器输出电压是0～10V。
图 28 开启单位变换功能
启动采集，在软件画布上就会出现当前的环境温度。
图 29 温度升高
图 30 温度下降
将两组实验数据对比，在同样的温度变化下可以明显看出数据波形的优劣。
图 31 温度变化对比
当然并非所有非标准电压输出的传感器都要连接变送器：输出电流信号的传感器可以使用取样电阻将电流信号转变为电压信号再输入到采集卡中
图 32 利用电阻取样
输出频率、脉冲信号的传感器可以使用采集卡的计数器功能进行信号采集。
图 33 计数器功能
如果有机会的话，我们将在之后的文章中介绍它们的采集方法。
