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增量型光柵尺的工作原理概述
一、柵式測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述 
從上個(gè)世紀(jì)50年代到70年代柵式測(cè)量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測(cè)量系統(tǒng)都是將一個(gè)柵距周期內(nèi)的**式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合了起來(lái)，測(cè)量單位不是像激光一樣的是光波波長(zhǎng)，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到了發(fā)展。由于光柵測(cè)量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其他4種，而且制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得*快，技術(shù)性能*高，市場(chǎng)占有率*高，產(chǎn)業(yè)*大。光柵在柵式測(cè)量系統(tǒng)中的占有率已超過(guò)80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)，測(cè)量速度從60m/min，到480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從1m、3m達(dá)到30m和100m。 
二、光柵測(cè)量技術(shù)發(fā)展的回顧 
計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國(guó)物理學(xué)家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代人們才開(kāi)始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950年德國(guó)Heidenhain開(kāi)創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量?jī)x器才能為用戶(hù)所接受，進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953年英國(guó)Ferranti公司提出了一個(gè)4相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今。 
德國(guó)Heidenhain公司1961年開(kāi)始開(kāi)發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4μm（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)1微米和1角秒的測(cè)量分辨力。1966年制造出了柵距為20μm（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光柵一個(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。在1987年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于**編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使**編碼器和增量編碼器一樣很方便的應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)在光柵測(cè)量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬(wàn)件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開(kāi)啟式光柵尺約占15%。在Heidenhain公司的產(chǎn)品銷(xiāo)售額中大約直線光柵編碼器占40%，圓光柵編碼器占30%，數(shù)顯、數(shù)控及倍頻器占30%。Heidenhain公司總部的年銷(xiāo)售額約為7億歐元（不含Heidenhain跨國(guó)公司所屬的40家企業(yè)）。國(guó)外企業(yè)的人均產(chǎn)值在10~15萬(wàn)美元左右，研究開(kāi)發(fā)人員約占雇員的10%，產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費(fèi)約占銷(xiāo)售額的15%。 
三、當(dāng)今采用的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列 
光柵根據(jù)形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。光米級(jí)和亞微米級(jí)的光柵測(cè)量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠(yuǎn)于光源光波波長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象可以忽略，當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱(chēng)影像原理。納米級(jí)的光柵測(cè)量是采用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長(zhǎng)很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱(chēng)干涉原理?，F(xiàn)將Heidenhain產(chǎn)品采用的3種測(cè)量原理介紹如下。 
1.具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理（透射法） 
采用垂直入射光學(xué)系統(tǒng)均為4相信號(hào)系統(tǒng)，是將指示光柵（掃描掩膜）開(kāi)四個(gè)窗口分為4相，每相柵線依次錯(cuò)位四分之一柵距，在接收的4個(gè)光電元件上可得到理想的4相信號(hào)，這稱(chēng)為具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20μm，測(cè)量步距為0.5μm，準(zhǔn)確度為±10、±5、±3μm三種，*大測(cè)量長(zhǎng)度3m，載體為玻璃。 
2.有準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理（反射法） 
反射標(biāo)尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個(gè)相互交錯(cuò)并有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來(lái)，一個(gè)掃描場(chǎng)就可以產(chǎn)生相移為四分之一柵距的四個(gè)圖象，稱(chēng)此原理為準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影象測(cè)量原理。由于只用一個(gè)掃描場(chǎng)，標(biāo)尺光柵局部的污染使光場(chǎng)強(qiáng)度的變化是均勻的，并對(duì)四個(gè)光電接收元件的影響是相同的，因此不會(huì)影響光柵信號(hào)的質(zhì)量。與此同時(shí)，指示光柵和標(biāo)尺光柵的間隙和間隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開(kāi)式光柵其柵距為40μm和20μm，測(cè)量步距0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm、±3μm，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m，*大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，*大速度可達(dá)120m/min。 
3.單場(chǎng)掃描的干涉測(cè)量原理 
對(duì)于柵距很小的光柵，指示光柵是一個(gè)透明的相位光柵，標(biāo)尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過(guò)雙光柵的衍射，在每**的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中+1和-1級(jí)組干涉條紋是基波條紋，基波條紋變化的周期與光柵的柵距是同步對(duì)應(yīng)的。光調(diào)制產(chǎn)生3個(gè)相位相差120°的測(cè)量信號(hào)，由3個(gè)光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差90°的正弦信號(hào). Heidenhain LF、LIP、LIF系列光柵尺是按干涉原理工作，其光柵尺的載體有鋼板、鋼帶、玻璃和玻璃陶瓷，這些系列產(chǎn)品都是亞微米和納米級(jí)的，其中*小分辨力達(dá)到1納米。 
在80年代后期柵距為10μm的透射光柵LID351（分辨力為0.05μm）其間隙要求就比較嚴(yán)格為（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉測(cè)量原理對(duì)納米級(jí)的衍射光柵安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度都很寬（表1所示）。只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512μm，經(jīng)光學(xué)倍頻后信號(hào)周期為0.128μm，其他柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的信號(hào)周期為4μm和2μm，其分辨力為5nm和50nm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度為±0.5μm和±1μm，速度為30m/min。LIF系列柵距是8μm，分辨力0.1μm，準(zhǔn)確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度系數(shù)近于0的玻璃陶瓷或溫度系數(shù)為8ppm/K的玻璃。衍射光柵LF系列是閉式光柵尺，其柵距為8μm，信號(hào)周期為4μm，測(cè)量分辨力0.1μm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度±3μm和±2μm，*大速度60m/min，測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)到3m，載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻璃。 
四、光柵測(cè)量系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 
1.測(cè)量準(zhǔn)確度（精度） 
光柵線位移傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，首先取決于標(biāo)尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），其次才是信號(hào)處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標(biāo)尺光柵導(dǎo)向的誤差。影響光柵尺測(cè)量準(zhǔn)確度的是在光柵整個(gè)測(cè)量長(zhǎng)度上的位置偏差和光柵一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差。 
光柵尺的準(zhǔn)確度（精度）用準(zhǔn)確度等級(jí)表示，Heidenhain定義為：在任意1m測(cè)量長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)建立在平均值基礎(chǔ)上的位置偏差的*大值Fmax均落在±α（μm）之內(nèi)，則±α為準(zhǔn)確度等級(jí)。Heidenhain準(zhǔn)確度等級(jí)劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可見(jiàn)Heidenhain光柵尺的準(zhǔn)確度等級(jí)和測(cè)量長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，這是很高的一個(gè)要求，現(xiàn)在還沒(méi)有見(jiàn)到其他生產(chǎn)廠家能夠達(dá)到這一水平。 
現(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm，對(duì)衍射光柵柵距采用4μm和8μm，（1nm光柵除外）光學(xué)二倍頻后信號(hào)周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開(kāi)式光柵一個(gè)信號(hào)周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號(hào)周期及位置偏差見(jiàn)表2。 
表2 
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光柵類(lèi)別 信號(hào)周期（μm） 一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差（μm） 
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幾何光柵 20和40 開(kāi)啟式光柵尺±1%，即±0.2~±0.4 
封閉式光柵尺±2%，即±0.4~±0.8 
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衍射光柵 2和4 開(kāi)啟式光柵尺±1%，即±0.02~±0.04 
封閉式光柵尺±2%，即±0.02~±0.08 
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2.信號(hào)的處理及柵距的細(xì)分 
光柵的測(cè)量是將一個(gè)周期內(nèi)的**式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合在一起，也就是說(shuō)在柵距的一個(gè)周期內(nèi)將柵距細(xì)分后進(jìn)行**的測(cè)量，超過(guò)周期的量程則用連續(xù)的增量式測(cè)量。為了保證測(cè)量的精度，除了對(duì)光柵的刻劃質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)精度有要求外，還必須對(duì)光柵的莫爾條紋信號(hào)的質(zhì)量有要求，因?yàn)檫@影響電子細(xì)分的精度，也就是影響光柵測(cè)量信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）和測(cè)量分辨力（測(cè)量步距）。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測(cè)量步距。對(duì)莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量的要求主要是信號(hào)的正弦性和正交性要好；信號(hào)直流電平漂移要小。對(duì)讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補(bǔ)電路要求頻率特性好，才能保證測(cè)量速度大。 
Heidenhain有專(zhuān)門(mén)為光柵傳感器和CNC相聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)了光柵倍頻器，也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號(hào)（一個(gè)周期是一個(gè)柵距）進(jìn)行插補(bǔ)和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的4倍頻后對(duì)柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)有20、40、100、200、400、800和1600，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量步距從1nm到5μm，倍頻數(shù)選擇取決于光柵信號(hào)一個(gè)柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)和輸入頻率的關(guān)系見(jiàn)表3。 
表3 
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倍頻細(xì)分?jǐn)?shù) 0 2 10 25 50 100 200 400 
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輸入頻率kHz 600 500 200 100 50 25 12.5 6.25 
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選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的測(cè)量步距。在Heidenhain的數(shù)顯表中可以設(shè)置15種之多的倍頻數(shù)，*高頻數(shù)可達(dá)1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微機(jī)上用的數(shù)量卡*大倍頻數(shù)可到4096。 
3.光柵的參考標(biāo)記和**座標(biāo) 
（1）光柵**位置的確立 
光柵是增量測(cè)量，光柵尺的**位置是利用參考標(biāo)記（零位）確定。參考標(biāo)記信號(hào)的寬度和光柵一個(gè)柵距的信號(hào)周期一致，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號(hào)的脈沖寬度和系統(tǒng)一個(gè)測(cè)量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain設(shè)計(jì)了在測(cè)量全長(zhǎng)內(nèi)按距離編碼的參考標(biāo)記，每當(dāng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)參考標(biāo)記后就可以確定光柵尺的**位置，例如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對(duì)于標(biāo)尺移動(dòng)20mm后就可確定**位置，柵距為40μm的光柵尺要移動(dòng)80mm才能確定**位置。 
（2）**坐標(biāo)傳感器 
為了在任何時(shí)刻測(cè)量到**位置，Heidenhain設(shè)計(jì)制造了LC系列**光柵尺，它是用七個(gè)增量碼道得到**位置，每個(gè)碼道是不同的，刻線*細(xì)碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨力都可為0.1μm，準(zhǔn)確度±3μm。測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)3m，*大速度120m/min。它所采用的是光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。 
4.光柵的載體和熱性能 
光柵尺是在20°±0.1℃環(huán)境中制造，光柵的熱性能直接影響到測(cè)量精度，在使用上光柵尺的熱性能*好和測(cè)量的對(duì)象的熱性能一致。考慮到不同的使用環(huán)境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)。現(xiàn)用的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K，鋼為10ppm/K，現(xiàn)在Heidenhain已采用了和鋼一樣膨脹系數(shù)的玻璃。這些材料對(duì)振動(dòng)、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，并對(duì)氣壓和濕度的變化也不會(huì)有影響。對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度在3m以下的光柵尺載體材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過(guò)3m以上則用鋼帶。通過(guò)對(duì)標(biāo)尺載體所用材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的選擇，使光柵尺與被測(cè)對(duì)象的熱性能有*佳的匹配。 

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