增量型光柵尺的工作原理概述

一、柵式測量系統(tǒng)簡述
從上個世紀50年代到70年代柵式測量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統(tǒng)都是將一個柵距周期內(nèi)的**式測量和周期外的增量式測量結(jié)合了起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。它們有各自的優(yōu)勢，相互補充，在競爭中都得到了發(fā)展。由于光柵測量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其他4種，而且制造費用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展得*快，技術(shù)性能*高，市場占有率*高，產(chǎn)業(yè)*大。光柵在柵式測量系統(tǒng)中的占有率已超過80%，光柵長度測量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從60m/min，到480m/min。測量長度從1m、3m達到30m和100m。
二、光柵測量技術(shù)發(fā)展的回顧
計量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國物理學家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價值，直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年德國Heidenhain開創(chuàng)DIADUR復制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復制工藝，這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。1953年英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統(tǒng)，可以在一個莫爾條紋周期實現(xiàn)4倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今。
德國Heidenhain公司1961年開始開發(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)的圓光柵測量系統(tǒng)，能實現(xiàn)1微米和1角秒的測量分辨力。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。并在光柵一個參考標記（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，采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，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)用于測量系統(tǒng)。現(xiàn)在光柵測量系統(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60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。在Heidenhain公司的產(chǎn)品銷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公司總部的年銷售額約為7億歐元（不含Heidenhain跨國公司所屬的40家企業(yè)）。國外企業(yè)的人均產(chǎn)值在10~15萬美元左右，研究開發(fā)人員約占雇員的10%，產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費約占銷售額的15%。
三、當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。光米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理。現(xiàn)將Heidenhain產(chǎn)品采用的3種測量原理介紹如下。
1.具有四場掃描的影像測量原理（透射法）
采用垂直入射光學系統(tǒng)均為4相信號系統(tǒng)，是將指示光柵（掃描掩膜）開四個窗口分為4相，每相柵線依次錯位四分之一柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20μm，測量步距為0.5μm，準確度為±10、±5、±3μm三種，*大測量長度3m，載體為玻璃。
2.有準單場掃描的影像測量原理（反射法）
反射標尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來，一個掃描場就可以產(chǎn)生相移為四分之一柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影象測量原理。由于只用一個掃描場，標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，并對四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質(zhì)量。與此同時，指示光柵和標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系列開式光柵其柵距為40μm和20μm，測量步距0.1μm，準確度有±5μm、±3μm，測量長度可達30m，*大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，*大速度可達120m/min。
3.單場掃描的干涉測量原理
對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透明的相位光柵，標尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，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應(yīng)的。光調(diào)制產(chǎn)生3個相位相差120°的測量信號，由3個光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差90°的正弦信號. 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的，其中*小分辨力達到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格為（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉測量原理對納米級的衍射光柵安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標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)光學倍頻后信號周期為0.128μm，其他柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm，其分辨力為5nm和50nm，系統(tǒng)準確度為±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，信號周期為4μm，測量分辨力0.1μm，系統(tǒng)準確度±3μm和±2μm，*大速度60m/min，測量長度達到3m，載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻璃。
四、光柵測量系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題
1.測量準確度（精度）
光柵線位移傳感器的測量準確度，首先取決于標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），其次才是信號處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標尺光柵導向的誤差。影響光柵尺測量準確度的是在光柵整個測量長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內(nèi)的位置偏差。
光柵尺的準確度（精度）用準確度等級表示，Heidenhain定義為：在任意1m測量長度區(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為準確度等級。Heidenhain準確度等級劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可見Heidenhain光柵尺的準確度等級和測量長度無關(guān)，這是很高的一個要求，現(xiàn)在還沒有見到其他生產(chǎn)廠家能夠達到這一水平。
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，對衍射光柵柵距采用4μm和8μm，（1nm光柵除外）光學二倍頻后信號周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號周期及位置偏差見表2。
表2
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光柵類別信號周期（μm）一個信號周期內(nèi)的位置偏差（μm）
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幾何光柵 20和40 開啟式光柵尺±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.信號的處理及柵距的細分
光柵的測量是將一個周期內(nèi)的**式測量和周期外的增量式測量結(jié)合在一起，也就是說在柵距的一個周期內(nèi)將柵距細分后進行**的測量，超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測量。為了保證測量的精度，除了對光柵的刻劃質(zhì)量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質(zhì)量有要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵測量信號的細分數(shù)（倍頻數(shù)）和測量分辨力（測量步距）。柵距的細分數(shù)和準確性也影響光柵測量系統(tǒng)的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質(zhì)量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好；信號直流電平漂移要小。對讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補電路要求頻率特性好，才能保證測量速度大。
Heidenhain有專門為光柵傳感器和CNC相聯(lián)結(jié)設(shè)計了光柵倍頻器，也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號（一個周期是一個柵距）進行插補和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細分數(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倍頻后對柵距的細分數(shù)有20、40、100、200、400、800和1600，能實現(xiàn)測量步距從1nm到5μm，倍頻數(shù)選擇取決于光柵信號一個柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細分數(shù)和輸入頻率的關(guān)系見表3。
表3
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倍頻細分數(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1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微機上用的數(shù)量卡*大倍頻數(shù)可到4096。
3.光柵的參考標記和**座標
（1）光柵**位置的確立
光柵是增量測量，光柵尺的**位置是利用參考標記（零位）確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統(tǒng)一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain設(shè)計了在測量全長內(nèi)按距離編碼的參考標記，每當經(jīng)過兩個參考標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于標尺移動20mm后就可確定**位置，柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定**位置。
（2）**坐標傳感器
為了在任何時刻測量到**位置，Heidenhain設(shè)計制造了LC系列**光柵尺，它是用七個增量碼道得到**位置，每個碼道是不同的，刻線*細碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨力都可為0.1μm，準確度±3μm。測量長度可達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，是具有四場掃描的影像測量原理。
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量精度，在使用上光柵尺的熱性能*好和測量的對象的熱性能一致。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。這些材料對振動、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，并對氣壓和濕度的變化也不會有影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的選擇，使光柵尺與被測對象的熱性能有*佳的匹配。

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