光栅测量技术

1、一、光栅尺将光源、圆型的旋转编码盘编码盘的线数有360线到2400线数不同和光电 检测器件等组合在一起构成的通常称光电旋转编码器， 码盘的线数决定了旋转角 精度。同样两块长光栅动尺和定尺光栅的单位密度也决定了其单位精度，与 光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。旋转编码器每旋转一格光栅角， 每一个光栅电信号对应一个旋转角或光栅尺每输 出一个电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，通过对信号变 化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光电旋转编码器与光栅 尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90o的2路方波信号，二是相位 依次相差90o的4路正弦信号

2、。这些信号的空间位置周期为W。针对输出方波 信号的光栅进行计数，而对丁输出正弦波信号的光栅，经过整形可变为方波信号 输出进行计数。就可以检测。输出方波的旋转编码器、光栅尺有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W,相位差90o。Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。二、光栅光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效 果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻 变效果。光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看 到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置那么由观察角

3、度来 决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像， 对应丁每个透镜的宽度，分别按 顺序分行排列印刷在光栅薄片的反面上， 当我们从不同角度通过透镜观察，将看 到不同的图像。光栅原理光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散分解为光谱的光学元 件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝刻线的平面玻璃或金届片。光栅的 狭缝数量很大,一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和 各缝间的干预，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称 作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同 的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干预的共同结

4、果。1衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式a+bsin| 土sin 9表状。入 式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，4为衍射角，0为光的入射方向与光栅 平面法线之间的火角，k为明条纹光谱级数k=0,土， 2，入为波长，a+b称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很 亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分活晰。因而利用光栅衍射可以精 确地测定波长。衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。其中N为狭缝数，狭缝数越多 明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金届丝密排地

5、绕在两平行细 螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为 光栅。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃 或金届片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成局部, 其种类很多。按所 用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形 状又分为平而光栅和凹而光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、闪耀光 栅、阶梯光栅等。分光原理由光栅方程d sin a土sin韧M可知，对丁相同的光谱级数m,以同样的入射角a投射到光栅上的不同波长 入1入仪入2.组成的混合光，每种波长产生的干预 极大都位丁不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角6出射。这就说明，对丁给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级

6、大 构成同一级光栅光 谱中的不同波长谱线都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立 的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开。这就是衍射光栅的分光原理。2三、光栅测量技术1.历史从20世纪50年代至70年代，栅式测量系统从感应同步器开展到光栅、磁栅、 容栅和球栅,这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增 量式测量结合起来，测量单位不是像激光二杵的光波波长，而是通用的米制或英制标尺。它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了开展。但光栅测 量系统的综合技术性能优丁其它4种，而且其制造费用乂比感应同步器、磁栅、 球栅低，因此光栅开展最快

7、，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅 式测量系统中，光栅的占有率已超过80%,光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微 米级、业微米级和纳米级;测量速度从60m/min至480m/min。测量长度从1m、3m至30m和100m。2.开展计量光栅技术的根底- 莫尔条纹Moire fringes是由英国物理学家L Rayleigh首先提出的。到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铭的光刻 复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广 大用户所接受，并进入商品市场。1953

8、年，英国Ferranti公司提出了一个4相信 号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的根底，并一直应用至今。60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距 为4 m250fe/mm的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，可实现1叩和1角秒的测量分辨率。1966年乂制造出了栅距为20卜m5或/mm的封闭式直线光 栅编码器。在80年代乂推出了AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率 的金届线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记 零位的根底上增加了距离编码。1987年，乂提出一种新的干预原理，即采用

9、衍射光栅实现纳米级的测量，并允 许较宽松的安装。1997年推出用丁绝对编码器的EnDat双向申行快速连续接口， 使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用丁测量系统。现在光栅测量系统已 十分完善，应用的领域很广，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。在Heidenhain公司的产 品销售额中，直线光栅编码器约占40%，圆光栅编码器占30%,数显、数控及倍频器占30%。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元不含Heidenhain跨国公司所届的40家企业。国外企业的人均产值在1015万美元左右，研究 开发人员约占雇员的10%，产

10、品研发经费约占销售额的15%。3.光电扫描原理及产品根据形成莫尔条纹原理的不同，激光可分为几何光栅幅值光栅和衍射光栅相位 光栅，乂可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。微米级和业微米级的光 栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为100叩 至20叩，远大于光源光波波长，衍 射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量 原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅， 光栅栅距为8!或4M,栅线的宽度与光的波长很接近，那么产生衍射和十涉现象形成莫尔条纹， 其测量原 理称十涉原理。现将德国Heidenhain公司产品采用的三种测量原理加以介绍。1具有四场扫描的影像测量原理透射法

11、采用垂直入射光学系统均为4相信号系统，是将指示光栅扫描掩膜开四个窗口 分为4相，每相栅线依次错位1/4栅距，在接收的4个光电元件上可得到理想的4相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。Heidenhain的LS系列产品均采用此原理，其栅距为20叩，测量步距为0.5 准确度为土0、逾、土3种，最大测量长度为3m,载体为玻璃。2有准单场扫描的影像测量原理反射法反射标尺光栅是采用40栅距的钢带，指示光栅扫描掩膜用两个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，为此，一个扫描场就可以产生相移为1/4栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影像测量原理。由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化

12、是均匀的， 并对四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙方差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金届反射光栅就是采用这 一原理。LIDA系列开式光栅，其栅距为40叩和20叩，测量步距为0.1 s准 确度有土5叩 土3 测量长度可达30m，最大速度为480m/min。LB系歹U闭式 光栅栅距都是40m,最大速度可达120m/min。3单场扫描的十涉测量原理对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的 相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互十涉，就形成了莫 尔条纹，其中+1和-1级

13、组十涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的 栅距是同步对应的。光调制产生3个相位差120。的测量信号，由三个光电元件 接收，随后乂转换成通用的相位差90的正弦信号。Heidenhain LF、LIP、LIF系 列光栅尺是按十涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、 钢带、 玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是业微米和钠米级的，其中最小分辨率到达1纳米。在20世纪80年代后期，栅距为10叩的透射光栅LID351分辨率为0.05 m其间隙要求就比拟严格0.1 0;015mm。由于采用了新的十涉测量原理，对纳米 级的衍射光栅安装公差就放得比拟宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平 行度都很宽见表1。表

14、1指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度光栅型号一信号周期1 m分辨率nm一间隙mm一平行度mmLIP372-0.218- 1-0.3-坦.02LIP471 -2-5-0.6-也.02LIP571 -4-50-0.5-也.06只有衍射光栅LIP372的栅距是0.512珥经光学倍频后，信号周期为0.128从m,其它栅距均为8叩和4叩，经光学二倍频后得到的信号周期为4叩和2叩，其 分辨率为5nm和50nm，系统准确度为土0.5刑土1速度为30m/min。LIF系列栅距是8m分辨率0.1从mt确度土1巩速度为72m/min。其载体为温度系 数近于零的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃。衍射光栅LF

15、系列是闭式光 栅尺，其栅距为8 mg号周期为4测量分辨率0.1Mn统准确度土3nO+ 2顼最大速度60m/min,测量长度达3m,载体采用钢尺和钢膨胀系数10ppm/K一样的玻璃。光栅测量系统的几个关键问题1测量准确度精度光栅线位移传感器的测量准确度， 首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示 光栅扫描的质量栅线边沿活晰至关重要，其次才是信号处理电路的质量和指示 光栅沿标尺光栅导向的误差。 影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上 的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。光栅尺的准确度精度用准确度等级表示，Heidenhain定义为：在任意1m测量 长度区段内建立在平均值根底上的位置偏差

16、的最大值Fmax均落在土a从谊内,那么为为准确度等级。Heidenhain准确度等级划分为：坦.1、坦.2、也.5、土、坦、公、i5 0和土15!印由此可见，Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度 无关,这是很高的一个要求，目前还没有一家厂商能够到达这一水平。现在Heidenhain玻璃透射光栅和金届反射光栅的栅距只采用20叩和40pm,对衍射光栅栅距采用4和8光学二倍频后信号周期为2111和4 m0Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为士,闭式光栅仅为 史,光栅信号周期及位置偏差见表2。表2光栅信号周期及位置偏差光栅类别一信号周期I m一个信号周期内的位置偏差I

17、 m几何光栅一20和40开启式光栅尺士,即也.2也.4;封闭式光栅尺 坦,即 也.4也.8衍射光栅一2和4一开启式光栅尺士,即也.02也.04;封闭式光栅尺 坦,即 也.02坦.082信号的处理及栅距的细分光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程那么用连续的增量式测量。为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要 求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有一定的要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数倍频数和测量分辨率测量步距。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确

18、度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要小。对读 数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好，才能保证测量速度局0Heidenhain公司专门为光栅传感器和crc相联结设计了光栅倍频器，即将光栅传 感器输出的正弦信号一个周期是一个栅距进行插补和数字化处理后给出相位 相差90的方波，其细分数倍频数有5、10、25、50、100、200和400,再考虑 到数控系统的4倍频后对栅距的细分数有20、40、100、200、400、800和1600,能实现测量步距从1nm到5 m倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质 量。随着倍频数的增加，光

19、栅传感器的输出频率要下降， 倍频器的倍频细分数和 输入频率的关系见表3。表3倍频器的倍频细分和输入频率倍频细分数：0 2 - 10- 25-50 - 100-200- 400输入频率KHz: 600- 500-200- 100-50- 25- 12.5 6.25选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在Heidenhain的数显表中可以设 置15 种之多的倍频数，最高频数可达 1024,即 1, 2, 4, 5, 10, 20, 40, 50, 64, 80, 100,128, 200, 400, 1024。在微机上用的数显卡最大倍频数可到 4096。(3)光栅的参数标记和绝对坐标1光栅绝对位置确实立光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记(零位)确定。参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致， 经后续