第四章 光电仪器中的定位与校准

1、 光电仪器精度的高低，除精密机械部分的运动精度外，光电仪器精度的高低，除精密机械部分的运动精度外，很大程度上还取决于它的很大程度上还取决于它的。因此定位与测量。因此定位与测量系统是光电仪器中的一个重要组成部分，特别是对高精度的系统是光电仪器中的一个重要组成部分，特别是对高精度的仪器尤为重要。仪器尤为重要。 是将仪器的响应示值与其启动信号或通过其是将仪器的响应示值与其启动信号或通过其他方法测得的真实值相联系的过程。校准的对象是测量仪器、他方法测得的真实值相联系的过程。校准的对象是测量仪器、实物量具或测试系统等，其目的是通过与标准比较确定测量实物量具或测试系统等，其目的是通过与标准比较确定测量装置

2、的示值，也就是装置的示值，也就是用测量标准去测量被校准量用测量标准去测量被校准量。 校准技术是测量仪器的基础校准技术是测量仪器的基础，也是其关键技术。研究高，也是其关键技术。研究高精度校准技术对系统整体性能的提高起着重要的作用。精度校准技术对系统整体性能的提高起着重要的作用。用测量手段检测光电仪器中精密机用测量手段检测光电仪器中精密机械部分（或其它部分）械部分（或其它部分）运动位置精度运动位置精度的系统。的系统。定位系统可分为定位系统可分为和和。 开环控制系统由控制器和被控对象组成，由输入端通过开环控制系统由控制器和被控对象组成，由输入端通过输入信号控制被控对象得输出物理量的变化，如下图所示。

3、输入信号控制被控对象得输出物理量的变化，如下图所示。图图4-1 精密工作台系统精密工作台系统1-电机电机 2-带传动带传动 3-蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆 4-螺旋传动螺旋传动 5-工作台工作台 此类系统此类系统，它的运动位置精度主，它的运动位置精度主要决定于要决定于执行元件的精度执行元件的精度和和精精密机械本身的加工精度密机械本身的加工精度。系统比较简单；调整、使用和维修较方便；工作稳系统比较简单；调整、使用和维修较方便；工作稳定可靠；成本低。定可靠；成本低。驱动装置驱动装置传动机构传动机构精密工作台精密工作台图图4-2 开环控制系统框图开环控制系统框图精度比较低，一般只能达到精度比较低，一般只能达到

4、10m级精度，如测量显级精度，如测量显微镜，故微镜，故中。中。 尽管开环系统优点很多，但达到的精度毕竟是有限的，尽管开环系统优点很多，但达到的精度毕竟是有限的，已远远不能满足现代精密仪器的高精度和自动化的要求。已远远不能满足现代精密仪器的高精度和自动化的要求。闭环控制系统是闭环控制系统是系统，具有输入信号控制系统，具有输入信号控制被控量的通道，同时具有由输出量信号反馈到输入端的反被控量的通道，同时具有由输出量信号反馈到输入端的反馈通道。负反馈控制按输入与输出信号的馈通道。负反馈控制按输入与输出信号的进行控制。进行控制。如下图所示的精密工作台的位置精度的闭环控制。如下图所示的精密工作台的位置精度

5、的闭环控制。微处理器微处理器动力部件动力部件工作台工作台图图4-3 闭环控制系统框图闭环控制系统框图驱动装置驱动装置检测检测装置装置AB定位精度高定位精度高( (可达到可达到亚微米亚微米甚至甚至纳微米级纳微米级精度精度) )；抗外；抗外界干扰和内部参数变化能力强；同时易实现自动化。界干扰和内部参数变化能力强；同时易实现自动化。系统较复杂；调整、使用和维修较困难；成本较高。系统较复杂；调整、使用和维修较困难；成本较高。 尽管如此，由于精密机械和仪器精度要求越来越高，故尽管如此，由于精密机械和仪器精度要求越来越高，故闭环控制系统应用是非常广泛的。闭环控制系统应用是非常广泛的。 由于由于定位测量系统

6、和精密仪器的精度直接有关定位测量系统和精密仪器的精度直接有关，故定位，故定位测量系统的设计是仪器设计中的重要一环，测量系统的设计是仪器设计中的重要一环，在选择定位与测量方法时，首先要从所在选择定位与测量方法时，首先要从所设计的精密仪器的精度出发，根据仪器所要求的精度合理地选设计的精密仪器的精度出发，根据仪器所要求的精度合理地选择定位与测量方法。一般情况下，择定位与测量方法。一般情况下，定位测量系统的精度应为仪定位测量系统的精度应为仪器总体精度的器总体精度的1/3-1/5；定位测量系统的分辨率是该系统设计中一定位测量系统的分辨率是该系统设计中一个重要参数，分辨率大小与控制系统有关。一般情况下，定

7、位个重要参数，分辨率大小与控制系统有关。一般情况下，定位测量系统分辨率应小于仪器精度，通常测量系统分辨率应小于仪器精度，通常取仪器精度的取仪器精度的1/3-1/10；它主要取决于光电接收元件和控制电路它主要取决于光电接收元件和控制电路的频率响应速度；的频率响应速度； 在光电仪器中所使用的光栅可看作是刻线在光电仪器中所使用的光栅可看作是刻线间距很小的间距很小的标尺和度盘标尺和度盘。光栅的种类很多，按其工作原理和用途可分为：光栅的种类很多，按其工作原理和用途可分为：物理光栅物理光栅和和计量光栅计量光栅两种。两种。 右图所示，右图所示，a为光栅为光栅栅线宽栅线宽度度，b为光栅为光栅缝隙宽度缝隙宽度即

8、即透光间透光间隙隙， 为相位光栅的斜角。光为相位光栅的斜角。光栅相邻两栅线的距离栅相邻两栅线的距离c=a+b称称为光栅的为光栅的栅距或节距栅距或节距。图图4-4 光栅放大图光栅放大图 ccabba 是利用是利用光栅的衍射效应分光光栅的衍射效应分光进行工作的。进行工作的。其其栅距较小，一般接近于光谱的波长，栅距栅距较小，一般接近于光谱的波长，栅距c =0.52 m。主。主要作为要作为用于光谱分析和测量等物理光学仪器中。用于光谱分析和测量等物理光学仪器中。 是利用是利用光栅形成的莫尔条纹原理光栅形成的莫尔条纹原理进行工作。进行工作。其栅距较大，通常情况下栅距其栅距较大，通常情况下栅距c =0.00

9、40.05mm。在精密测。在精密测长和测角的光电仪器中不仅作为长和测角的光电仪器中不仅作为，目，目前更多地作为前更多地作为应用于各种数控设备。应用于各种数控设备。计量光栅计量光栅圆光栅圆光栅长光栅长光栅径向光栅径向光栅黑白光栅黑白光栅相位光栅相位光栅透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅玻璃载体玻璃载体切向光栅切向光栅金属载体金属载体玻璃载体玻璃载体金属膜金属膜栅线与缝隙黑白栅线与缝隙黑白相间，通常采用母光栅相间，通常采用母光栅照相复制法加工而成，照相复制法加工而成，栅距一般栅距一般0.010.05mm其横截面呈锯齿其横截面呈锯齿状，通常用刻划法加工状，通常用刻划法加工而成，栅距较小，一般而成，栅距

10、较小，一般0.0040.01mm用于用于测量，栅线数测量，栅线数通常在通常在用于用于测量，栅距角测量，栅距角 一般一般不小于不小于1 当两块黑白透射光栅的刻线面当两块黑白透射光栅的刻线面相叠合，并使两者的栅线有很相叠合，并使两者的栅线有很小的交角时，两光栅的栅线彼小的交角时，两光栅的栅线彼此重合，光线通过光栅后形成此重合，光线通过光栅后形成亮带和暗带。这种亮带和暗带。这种明暗相间明暗相间的的条纹称为条纹称为。 光栅光栅a光栅光栅c四棱形四棱形aabbB 叉线叉线 莫尔条纹是基于两块光栅叠合的莫尔条纹是基于两块光栅叠合的形成形成的。的。利用莫尔条纹测量位移（包括直线位移和角位移）其利用莫尔条纹测

11、量位移（包括直线位移和角位移）其核心部件是核心部件是光栅副光栅副，即，即标尺光栅和指示光栅标尺光栅和指示光栅。计量光栅是一种计量光栅是一种增量式编码增量式编码的光学标准器。的光学标准器。 长光栅是以栅距长光栅是以栅距c为增量的编码尺，圆光栅是以栅距角为增量的编码尺，圆光栅是以栅距角 为增量的编码盘。长光栅与圆光栅的编码方程式可分别表为增量的编码盘。长光栅与圆光栅的编码方程式可分别表示为示为cNL cNcNabx21 N 从光栅编码方程式中看出，若以长光栅作为标准器，对从光栅编码方程式中看出，若以长光栅作为标准器，对某一被测物体进行比较测量的情形，如图所示。某一被测物体进行比较测量的情形，如图所

12、示。式中式中 L -长光栅的有效刻划长度；长光栅的有效刻划长度； -圆光栅的圆周角；圆光栅的圆周角； N -光栅的栅线对数。光栅的栅线对数。被测物体长被测物体长x 2 1图图4-7 光栅测量示意图光栅测量示意图刻线刻线刻线刻线a光栅尺光栅尺Ncb 测量的实质就是在光栅尺测量的实质就是在光栅尺上读取反映被测对象长度的数上读取反映被测对象长度的数值值x。此值可表示为。此值可表示为或或cNx nc nc 由上式看出，所谓光栅测量实际上就是读取相应的光栅线数由上式看出，所谓光栅测量实际上就是读取相应的光栅线数N和不到一个栅距的和不到一个栅距的 。如果测量精度允许舍去小数值，测量。如果测量精度允许舍去小

13、数值，测量方程式可简化为方程式可简化为由此可知，对被测物体的测量过程，变为单纯地读取光栅栅由此可知，对被测物体的测量过程，变为单纯地读取光栅栅距数距数N的过程。从光电读数来看，就是对光栅信号的计数。的过程。从光电读数来看，就是对光栅信号的计数。 则小数部分则小数部分 可表示为可表示为 若如果要读取小数部分的若如果要读取小数部分的 ，这时必须对栅距，这时必须对栅距c进行细分进行细分或测微。假设将栅距分成或测微。假设将栅距分成n等分，并令等分，并令n为细分系统的细分数，为细分系统的细分数，则细分系统的分辨率则细分系统的分辨率 可表示为可表示为 cNcNabx21），（nmm10 cNabx MmN

14、nmNnx 式中式中M = Nn + m MmN 同理，可以写出圆光栅的测量方程式为同理，可以写出圆光栅的测量方程式为 (a) 为为原理方案图，它模拟式原理方案图，它模拟式x=Nc进行工作。进行工作。当光栅每移动一个栅距当光栅每移动一个栅距 c 时，计数编码电路送出一个计时，计数编码电路送出一个计数脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。数脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。式中式中 -圆光栅细分系统的分辨率，圆光栅细分系统的分辨率， = /n； M 以分辨率以分辨率 为单位的总计数值，为单位的总计数值，M =Nn+m。取样电路取样电路取样电路取样电路计数编码电路计数编码电路整数计数编码整数计

15、数编码计数和显示计数和显示计数与显示计数与显示细分电路细分电路取样电路取样电路细分电路细分电路计数和显示计数和显示分离电路分离电路（a）（b）（c）为为系统原理方案图。它模拟式系统原理方案图。它模拟式 进行工作。当光栅每移动一个栅距进行工作。当光栅每移动一个栅距 c 时，细分电路时，细分电路可送出等于细分数的可送出等于细分数的n个脉冲，由可逆计数器进行计数个脉冲，由可逆计数器进行计数和译码显示。这种原理是目前广为采用的方案。和译码显示。这种原理是目前广为采用的方案。取样电路取样电路整数计数编码整数计数编码计数与显示计数与显示细分电路细分电路分离电路分离电路（c）为为的计数系统原理方案图。它模拟

16、式的计数系统原理方案图。它模拟式进行工作，该方案可看作进行工作，该方案可看作(a)和和(b)的综合。光栅信号由的综合。光栅信号由分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲后，分别经整分离电路分离出整数计数脉冲和小数计数脉冲后，分别经整数计数编码电路和细分电路送出综合计数脉冲。这种方案适数计数编码电路和细分电路送出综合计数脉冲。这种方案适用于用于高精度快速高精度快速测量。测量。要得到横向莫尔条纹，需满足：要得到横向莫尔条纹，需满足：两光栅的栅距相等。两光栅的栅距相等。1. 交角交角 很小，很小， 0。 横向莫尔条纹与垂直主光栅横向莫尔条纹与垂直主光栅方向的夹角是两光栅夹角方向的夹角是两光栅夹角 的

17、的1/2。 cB 横向莫尔条纹的间距近似计算公式为横向莫尔条纹的间距近似计算公式为光栅光栅a光栅光栅caabbB 由于交角由于交角 很小，一般只有几分，故可认为条纹几乎与很小，一般只有几分，故可认为条纹几乎与y轴垂直，这是把它称为横向莫尔条纹的原因。轴垂直，这是把它称为横向莫尔条纹的原因。 当两块等栅距的当两块等栅距的光栅交角光栅交角时，莫时，莫尔条纹的间距尔条纹的间距。条纹变成一片黑暗；条纹变成一片黑暗；条纹变成最明亮一片；条纹变成最明亮一片；光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 coscNs 式中的式中的 为光栅移动方向与栅线的垂线之间的夹角，通常为光栅移动方向与栅线的垂线之间的夹角，通常 =0 。

18、当光栅副中任一光栅沿着垂直于栅线方向移动时，横向当光栅副中任一光栅沿着垂直于栅线方向移动时，横向莫尔条纹就沿着近似垂直于光栅的移动方向运动。光栅移过莫尔条纹就沿着近似垂直于光栅的移动方向运动。光栅移过一个栅距一个栅距 c ，莫尔条纹移动一个条纹间距。因此光栅移动的，莫尔条纹移动一个条纹间距。因此光栅移动的距离距离s可由条纹移动的数目可由条纹移动的数目N来计数来计数 莫尔条纹与光栅运动方向的关系莫尔条纹与光栅运动方向的关系例如：当例如：当 =10 时，时，k = 1/ = 1/0.29 = 345 。 莫尔条纹具有对光栅位移的放大作用。莫尔条纹具有对光栅位移的放大作用。它比一般的光学和它比一般的

19、光学和机械方法易于实现大倍率的放大。所以莫尔条纹被广泛机械方法易于实现大倍率的放大。所以莫尔条纹被广泛地用来实现地用来实现高灵敏度高灵敏度的位移测量。的位移测量。 莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距B可以通过改变交角可以通过改变交角 来调整来调整。通常可调通常可调至至10mm，以便与阵列光电器件相配合进行光电信号的转，以便与阵列光电器件相配合进行光电信号的转换，这为换，这为直接位置细分法直接位置细分法提供了客观的可能性。提供了客观的可能性。莫尔条纹与栅距的关系可用莫尔条纹的放大系数莫尔条纹与栅距的关系可用莫尔条纹的放大系数k来来表示：表示：莫尔条纹间距与光栅栅距的关系莫尔条纹间距与光栅栅距的关系 1

20、 cBk 可较容易地实现高精度测量。可较容易地实现高精度测量。 可利用光栅来控制制造光栅可利用光栅来控制制造光栅。也就是采用精度较低的光栅，也就是采用精度较低的光栅，得到精度很高的莫尔条纹，用莫尔条纹再控制光栅刻线机，刻得到精度很高的莫尔条纹，用莫尔条纹再控制光栅刻线机，刻制出高精度的光栅，使后一代光栅比前一代光栅的质量更高。制出高精度的光栅，使后一代光栅比前一代光栅的质量更高。这就是这就是。由于光电接收器接收到的条纹光信由于光电接收器接收到的条纹光信号是整个光敏区域内所有栅线交点的综号是整个光敏区域内所有栅线交点的综合结果，故对各栅距误差起平均作用。合结果，故对各栅距误差起平均作用。即即莫尔

21、条纹具有平均光栅误差的作用莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 莫尔条纹与光栅栅距误差的关系莫尔条纹与光栅栅距误差的关系 N abc ba根据偶然误差规律，设单个栅距误差根据偶然误差规律，设单个栅距误差为为 ，形成莫尔条纹区域内有，形成莫尔条纹区域内有N条栅线，条栅线，则综合栅距误差则综合栅距误差 可近似地表示为：可近似地表示为：当光栅受平行光束均匀照射时莫尔条纹的光强成四棱形当光栅受平行光束均匀照射时莫尔条纹的光强成四棱形光点分布，其光强的波形如下图所示。在理想条件下是以莫光点分布，其光强的波形如下图所示。在理想条件下是以莫尔条纹的间距尔条纹的间距B或光栅栅距或光栅栅距c为周期的为周期的等腰三角

22、形波形等腰三角形波形。莫尔条纹的波形特性莫尔条纹的波形特性 实际上由于两光栅间有一定的空气间隙，存在照明光实际上由于两光栅间有一定的空气间隙，存在照明光源发散角的影响，以及光栅的衍射作用、光栅刻制质量等源发散角的影响，以及光栅的衍射作用、光栅刻制质量等因素的影响，使莫尔条纹的因素的影响，使莫尔条纹的三角波形光强分布被削顶和削三角波形光强分布被削顶和削底底，从而形成如图，从而形成如图(b)所示近似正弦波形。所示近似正弦波形。BOy光强光强(a)cOy光强光强(b)。莫尔条纹理想波形为三角形波，其反差最大，即。莫尔条纹理想波形为三角形波，其反差最大，即Kmax=1。由于。由于光闸莫尔条纹光闸莫尔条

23、纹光信号的波形接近三角形波，因光信号的波形接近三角形波，因而有很好的反差。而有很好的反差。 minmaxminmaxIIIIK 根据迈克尔逊对根据迈克尔逊对条纹可见度条纹可见度即即反反差差K的定义，有的定义，有 图图4-11 莫尔条纹的光强分布图莫尔条纹的光强分布图ImaxIyOIpIminIppIm式中式中 Imax 亮条纹的光强度；亮条纹的光强度； Imin 暗条纹的光强度。暗条纹的光强度。pmpppminmaxminmaxIIIIIIIIK 2由莫尔条纹光强分布图可得莫尔光信号的反差可表示为：由莫尔条纹光强分布图可得莫尔光信号的反差可表示为：为为，其，其透光间隙透光间隙a与与刻划宽度刻划

24、宽度b相等相等，因此也称对称型相，因此也称对称型相位光栅。位光栅。为为，将，将透光间隙透光间隙a与栅距与栅距a+b之比值选在之比值选在0.6 0.7之间，这对之间，这对0级和级和1级衍射光有最佳的透过系数。级衍射光有最佳的透过系数。相位光栅的栅距较小，作为分光元相位光栅的栅距较小，作为分光元件时其栅线密度一般为件时其栅线密度一般为150 2400线线对对/mm。因此形成条纹的原理可用。因此形成条纹的原理可用光光栅的衍射效应栅的衍射效应来解释。来解释。 又称又称闪耀光栅闪耀光栅，光栅的，光栅的，通常，通常采取刻划的方法制成。采取刻划的方法制成。ab(a) a b(b) 普通光栅在计量过程中都是普

25、通光栅在计量过程中都是以增量的形式以增量的形式反映位移量大反映位移量大小，在测量时小，在测量时零位可任意确定零位可任意确定。若在测量过程中一旦遇到停。若在测量过程中一旦遇到停电、停机或中断运行等意外事故，会使前面所得的结果全部电、停机或中断运行等意外事故，会使前面所得的结果全部丢失，需要丢失，需要重新确定零位并重复以前的测量工作重新确定零位并重复以前的测量工作才能继续。才能继续。为克服增量式光栅的该缺点，发展了一种零位光栅系统。为克服增量式光栅的该缺点，发展了一种零位光栅系统。 使增量式光栅具有让电子装置识别零位标记的可行方法使增量式光栅具有让电子装置识别零位标记的可行方法是：是：在光栅刻线区

26、之外在刻制一组零位栅线在光栅刻线区之外在刻制一组零位栅线，使它与主光栅，使它与主光栅上的某一位置相对应，作为主光栅的固定零位。上的某一位置相对应，作为主光栅的固定零位。原理上讲，只要原理上讲，只要，就可作，就可作为零位标记，由单独的光电接收和电路处理成为零位信号。为零位标记，由单独的光电接收和电路处理成为零位信号。 但是，只有当光栅的栅距足够大，使接收的光电信号也但是，只有当光栅的栅距足够大，使接收的光电信号也足够大，且在零位精度不高的条件下，这种方法才有实用价足够大，且在零位精度不高的条件下，这种方法才有实用价值。可是一般光栅栅距都很小，因此值。可是一般光栅栅距都很小，因此单缝零位的光能量太

27、弱单缝零位的光能量太弱而无法工作。而无法工作。 若采用多缝等宽的光栅，虽然光能量问题可解决，而输若采用多缝等宽的光栅，虽然光能量问题可解决，而输出信号理论上是宽底的三角波，实际上近似于正弦波。所以出信号理论上是宽底的三角波，实际上近似于正弦波。所以输出信号不是尖脉冲，零点位置不易判别正确。为此需要找输出信号不是尖脉冲，零点位置不易判别正确。为此需要找一种一种多刻线且输出为尖脉冲编码多刻线且输出为尖脉冲编码的零位光栅系统。的零位光栅系统。 由于黑白光栅反差信号强，所以由于黑白光栅反差信号强，所以零位光栅一般都采用零位光栅一般都采用非等间距和非等非等间距和非等宽度宽度的黑白光栅。一对零位光栅作相的

28、黑白光栅。一对零位光栅作相对移动时，其光通量对移动时，其光通量F( x )变化的规律变化的规律符合右图曲线，则光栅的零位对准精符合右图曲线，则光栅的零位对准精度将很高。度将很高。S0正向正向反向反向OxScmF 要求零位信号是个尖三角脉冲，并尽量增大零位脉冲的峰值；要求零位信号是个尖三角脉冲，并尽量增大零位脉冲的峰值； 尽量减小最大残余信号的幅值尽量减小最大残余信号的幅值Scm，一般应使，一般应使Scm/S01/3； 考虑光栅正反向测量要求，应使光通量函数对称于零位原点。考虑光栅正反向测量要求，应使光通量函数对称于零位原点。 图图4-16 零位光栅系统的刻线图零位光栅系统的刻线图标尺光栅标尺光

29、栅指示光栅指示光栅 右图所示的一种零位光栅组右图所示的一种零位光栅组刻线情况，从中可形象地看出当刻线情况，从中可形象地看出当光栅处于光栅处于零位零位时，缝隙将透过时，缝隙将透过最最大的光通量大的光通量，而在，而在偏离零位偏离零位时时光光通量将很快下降通量将很快下降，所以，所以该零位光该零位光栅组有很高的零位对准精度。栅组有很高的零位对准精度。 )sin()(10 tUUtu 莫尔条纹的光信号通常都采用如莫尔条纹的光信号通常都采用如四极硅光池四极硅光池等线性光电等线性光电器件接收，并以电信号的形式输出。器件接收，并以电信号的形式输出。 通常情况下，莫尔条纹的光电信号用电压通常情况下，莫尔条纹的光

30、电信号用电压 u(t) 的形式表的形式表示，其全电压信号可表示为：示，其全电压信号可表示为：，这是光信号，这是光信号不可能出现负值引起的；不可能出现负值引起的；，以每秒钟内光栅的，以每秒钟内光栅的移动距离移动距离x与栅距与栅距c 的比值来表示；的比值来表示；cx 2 光栅角频率为：光栅角频率为：消除直流分量后的莫尔条纹光电信号为消除直流分量后的莫尔条纹光电信号为 当令当令U1=1， = t+ ，上式可简化为，上式可简化为 上述三个上述三个u(t)的基本公式，在讨论光栅信号的光电读数和电子的基本公式，在讨论光栅信号的光电读数和电子细分时经常要用到，它们是分析光栅读数和电子细分技术的基础。细分时经

31、常要用到，它们是分析光栅读数和电子细分技术的基础。 )sin()(1 tUtu sin)( tu假设光栅假设光栅时，形成的计数脉冲为时，形成的计数脉冲为，由整形和，由整形和微分电路微分电路A1形成，经与门电路形成，经与门电路Y1输出。代表输出。代表的的，则由反相、整形和微分电路，则由反相、整形和微分电路A2形成，并经与门电路形成，并经与门电路Y2输出。输出。 光栅信号的数字测量必须要经过光栅信号的数字测量必须要经过脉冲计数电路脉冲计数电路才能转换才能转换成数字信息输出，因此在光栅的动态测量中，需要了解光栅成数字信息输出，因此在光栅的动态测量中，需要了解光栅信号的信号的。从以下两方面入手：。从以

32、下两方面入手：计数脉冲的形成计数脉冲的形成测量方向的判别测量方向的判别取样取样差分电路差分电路整形电路整形电路微分电路微分电路A1取样取样差分电路差分电路整形电路整形电路反相电路反相电路微分电路微分电路A2与门与门Y1与门与门Y2加法加法脉冲脉冲减法减法脉冲脉冲P1P2光栅信光栅信号号AB测量方向的判别测量方向的判别BABP2微分微分取样取样正向测量正向测量差分差分整形整形减法脉冲减法脉冲加法脉冲加法脉冲输出输出P1BABP2反向测量反向测量减法脉冲减法脉冲加法脉冲加法脉冲P1根据光栅运动根据光栅运动方向的不同，方向的不同，使与门电路只使与门电路只能输出加法或能输出加法或减法脉冲的一减法脉冲的

33、一种，即种，即测量方测量方向的判别是通向的判别是通过与门电路的过与门电路的逻辑功能进行逻辑功能进行的。的。 光栅读数头光栅读数头是将光栅的光信号转换成电信号的装置，是将光栅的光信号转换成电信号的装置，为光栅计数和电子细分提供原始信号。通常把光栅读数头为光栅计数和电子细分提供原始信号。通常把光栅读数头叫做叫做光栅发讯器光栅发讯器或或光栅传感器光栅传感器。光栅读数头是一个独立装。光栅读数头是一个独立装置，一般不包括主光栅。置，一般不包括主光栅。 但在论述光栅读数头的组成与工但在论述光栅读数头的组成与工作原理时又包括主光栅在内。作原理时又包括主光栅在内。 光栅读数头由光栅读数头由光源照光源照明系统明

34、系统、莫尔条纹形成系莫尔条纹形成系统统和和光电接收系统光电接收系统三个部三个部分组成。分组成。 当光电接收器采用当光电接收器采用硅光电池硅光电池时，由于它的受光面积较时，由于它的受光面积较大，可直接与光栅莫尔条纹的间距相匹配，此时大，可直接与光栅莫尔条纹的间距相匹配，此时可不用物镜可不用物镜光学系统光学系统5，而直接接收莫尔条纹光信号，使结构紧凑。，而直接接收莫尔条纹光信号，使结构紧凑。 1-光源光源 2-聚光镜聚光镜 3-主光栅主光栅 4-指示光栅指示光栅 5-物镜光学系统物镜光学系统 6-光电接收器光电接收器3 41256光栅读数头分类框图光栅读数头分类框图光栅读数头光栅读数头振幅型振幅型

35、相位型相位型直读式直读式镜像式镜像式调相式调相式透射式透射式反射式反射式分光式分光式透射式透射式反射式反射式直读式读数头直读式读数头 直读式是利用直读式是利用垂直照相系统垂直照相系统获得莫尔条纹；获得莫尔条纹； 直读式直读式适用于栅距大于适用于栅距大于0.01mm的照相振幅光栅的照相振幅光栅，对，对25100线对线对/mm的黑白光栅，标尺光栅和指示光栅的间隙的黑白光栅，标尺光栅和指示光栅的间隙d 可可按小按小间隙间隙d=(35)c工作工作；也可按；也可按大间隙工作大间隙工作，取，取d=c2/ 。 反射式光栅用钢材料制成，与透射式玻璃光栅相比，其优点反射式光栅用钢材料制成，与透射式玻璃光栅相比，

36、其优点是坚固耐用，线膨胀系数与工件相近。是坚固耐用，线膨胀系数与工件相近。直读式光栅读数头光路图直读式光栅读数头光路图1-光源光源 2-聚光镜聚光镜 3-物镜物镜 4-光电池光电池 5-主光栅主光栅 6-指示光栅指示光栅 7-场镜场镜 8-反射镜反射镜52(a)465(b)67184132分光式读数头分光式读数头 分光式莫尔条纹读数系统分光式莫尔条纹读数系统适用于相位光栅适用于相位光栅。 为克服两光栅间间隙变化造成的测量误差，应使入射光束和为克服两光栅间间隙变化造成的测量误差，应使入射光束和出射光束对光栅成镜像对称，即出射光束对光栅成镜像对称，即满足满足 最小偏角条件。最小偏角条件。 由于多级

37、衍射效应通过限光狭缝后而大大削弱，因此这种读由于多级衍射效应通过限光狭缝后而大大削弱，因此这种读数头数头可选用较大的光栅间隙可选用较大的光栅间隙。 分光式光栅读数头光路系统图分光式光栅读数头光路系统图1-光电接收器光电接收器 2-狭缝狭缝 3-聚光镜聚光镜 4-指示光栅指示光栅 5-主光栅主光栅 6-聚光镜聚光镜 7-光源光源 8-分光棱镜分光棱镜12(a)435675713E(b)DC86BA镜像式读数头镜像式读数头 镜象式读数头是镜象式读数头是利用主光栅和它的镜象产生莫尔条纹信号利用主光栅和它的镜象产生莫尔条纹信号。 其优点是可获得其优点是可获得无间隙的莫尔条纹信号无间隙的莫尔条纹信号，无

38、指示光栅；可获，无指示光栅；可获得得倍频信号倍频信号输出，提高了灵敏度。输出，提高了灵敏度。(b)7镜镜式光栅读数头光路图镜镜式光栅读数头光路图1-光源光源 2-光电接收器光电接收器 3-主光栅主光栅 4-物镜物镜 5-反射镜反射镜 6-聚光镜聚光镜 7-析光镜析光镜7(a)651212343654调相式读数头调相式读数头 调相式读数头的工作原理是调相式读数头的工作原理是基于光栅信号的相位与固定不变基于光栅信号的相位与固定不变的基准信号作比较而进行测量的的基准信号作比较而进行测量的。因此，在较差的工作条件。因此，在较差的工作条件下也能测得栅距的一个很小分数值。下也能测得栅距的一个很小分数值。

39、调相式光栅读数头结构较复杂，但可获得调相式光栅读数头结构较复杂，但可获得很大的细分数很大的细分数。61. 3-光电接收器光电接收器 2-主光栅主光栅 4-基准光栅基准光栅 5-析光镜析光镜 6. 9. 10-聚光镜聚光镜 7-圆柱光栅圆柱光栅 8-光源光源 11-椭圆反射镜椭圆反射镜 12-多边形反射镜多边形反射镜 13-反射棱镜反射棱镜1284（a）75324（b）9113110112386 。通常可选用。通常可选用CCD、PSD、阵列式光电二极管等接收、阵列式光电二极管等接收器件接受光斑，整个系统需经过标定后才可确定光斑的位置器件接受光斑，整个系统需经过标定后才可确定光斑的位置变化量。变化

40、量。 PSD是一种非线列非面阵的连续分布的是一种非线列非面阵的连续分布的其工作原理就是基于其工作原理就是基于。横向光电效应：横向光电效应：又称侧向光生伏特效应或殿巴效应。又称侧向光生伏特效应或殿巴效应。半导体半导体光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高于未被光照部分，而出现载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电于未被光照部分，而出现载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部分带正电，未被光照部分带负电，使两部分间产生光生电动势的现象。分带正电，未被光照部分带负电，使两部分间产生光生电动势的现象。 一维一维PSD的工作原理：的工作原理：当光束入射到当光束入射到PSD光敏层上距中心点光敏层上距中心点的距离为的距离为x时，在入射位置产生与光辐射成正比的信号电荷，时，在入