第四章 光電儀器中的定位及校準(zhǔn)

1、 光電儀器精度的高低，除精密機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)精度外，光電儀器精度的高低，除精密機(jī)械部分的運(yùn)動(dòng)精度外，很大程度上還取決于它的很大程度上還取決于它的。因此定位與測(cè)量。因此定位與測(cè)量系統(tǒng)是光電儀器中的一個(gè)重要組成部分，特別是對(duì)高精度的系統(tǒng)是光電儀器中的一個(gè)重要組成部分，特別是對(duì)高精度的儀器尤為重要。儀器尤為重要。 是將儀器的響應(yīng)示值與其啟動(dòng)信號(hào)或通過(guò)其是將儀器的響應(yīng)示值與其啟動(dòng)信號(hào)或通過(guò)其他方法測(cè)得的真實(shí)值相聯(lián)系的過(guò)程。校準(zhǔn)的對(duì)象是測(cè)量?jī)x器、他方法測(cè)得的真實(shí)值相聯(lián)系的過(guò)程。校準(zhǔn)的對(duì)象是測(cè)量?jī)x器、實(shí)物量具或測(cè)試系統(tǒng)等，其目的是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)比較確定測(cè)量實(shí)物量具或測(cè)試系統(tǒng)等，其目的是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)比較確定測(cè)量裝置

2、的示值，也就是裝置的示值，也就是用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)去測(cè)量被校準(zhǔn)量用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)去測(cè)量被校準(zhǔn)量。 校準(zhǔn)技術(shù)是測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)校準(zhǔn)技術(shù)是測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)，也是其關(guān)鍵技術(shù)。研究高，也是其關(guān)鍵技術(shù)。研究高精度校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的提高起著重要的作用。精度校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的提高起著重要的作用。用測(cè)量手段檢測(cè)光電儀器中精密機(jī)用測(cè)量手段檢測(cè)光電儀器中精密機(jī)械部分（或其它部分）械部分（或其它部分）運(yùn)動(dòng)位置精度運(yùn)動(dòng)位置精度的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。定位系統(tǒng)可分為定位系統(tǒng)可分為和和。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由控制器和被控對(duì)象組成，由輸入端通過(guò)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由控制器和被控對(duì)象組成，由輸入端通過(guò)輸入信號(hào)控制被控對(duì)象得輸出物理量的變化，如下圖所示。

3、輸入信號(hào)控制被控對(duì)象得輸出物理量的變化，如下圖所示。圖圖4-1 精密工作臺(tái)系統(tǒng)精密工作臺(tái)系統(tǒng)1-電機(jī)電機(jī) 2-帶傳動(dòng)帶傳動(dòng) 3-蝸輪蝸桿蝸輪蝸桿 4-螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng) 5-工作臺(tái)工作臺(tái) 此類(lèi)系統(tǒng)此類(lèi)系統(tǒng)，它的運(yùn)動(dòng)位置精度主，它的運(yùn)動(dòng)位置精度主要決定于要決定于執(zhí)行元件的精度執(zhí)行元件的精度和和精精密機(jī)械本身的加工精度密機(jī)械本身的加工精度。系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；調(diào)整、使用和維修較方便；工作穩(wěn)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；調(diào)整、使用和維修較方便；工作穩(wěn)定可靠；成本低。定可靠；成本低。驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精密工作臺(tái)精密工作臺(tái)圖圖4-2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖精度比較低，一般只能達(dá)到精度比較低，一般只能達(dá)到

4、10m級(jí)精度，如測(cè)量顯級(jí)精度，如測(cè)量顯微鏡，故微鏡，故中。中。 盡管開(kāi)環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多，但達(dá)到的精度畢竟是有限的，盡管開(kāi)環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多，但達(dá)到的精度畢竟是有限的，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代精密儀器的高精度和自動(dòng)化的要求。已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代精密儀器的高精度和自動(dòng)化的要求。閉環(huán)控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)是系統(tǒng)，具有輸入信號(hào)控制系統(tǒng)，具有輸入信號(hào)控制被控量的通道，同時(shí)具有由輸出量信號(hào)反饋到輸入端的反被控量的通道，同時(shí)具有由輸出量信號(hào)反饋到輸入端的反饋通道。負(fù)反饋控制按輸入與輸出信號(hào)的饋通道。負(fù)反饋控制按輸入與輸出信號(hào)的進(jìn)行控制。進(jìn)行控制。如下圖所示的精密工作臺(tái)的位置精度的閉環(huán)控制。如下圖所示的精密工作臺(tái)的位置精度

5、的閉環(huán)控制。微處理器微處理器動(dòng)力部件動(dòng)力部件工作臺(tái)工作臺(tái)圖圖4-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置檢測(cè)檢測(cè)裝置裝置AB定位精度高定位精度高( (可達(dá)到可達(dá)到亞微米亞微米甚至甚至納微米級(jí)納微米級(jí)精度精度) )；抗外；抗外界干擾和內(nèi)部參數(shù)變化能力強(qiáng)；同時(shí)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。界干擾和內(nèi)部參數(shù)變化能力強(qiáng)；同時(shí)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。系統(tǒng)較復(fù)雜；調(diào)整、使用和維修較困難；成本較高。系統(tǒng)較復(fù)雜；調(diào)整、使用和維修較困難；成本較高。 盡管如此，由于精密機(jī)械和儀器精度要求越來(lái)越高，故盡管如此，由于精密機(jī)械和儀器精度要求越來(lái)越高，故閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用是非常廣泛的。閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用是非常廣泛的。 由于由于定位測(cè)量系統(tǒng)

6、和精密儀器的精度直接有關(guān)定位測(cè)量系統(tǒng)和精密儀器的精度直接有關(guān)，故定位，故定位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是儀器設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是儀器設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，在選擇定位與測(cè)量方法時(shí)，首先要從所在選擇定位與測(cè)量方法時(shí)，首先要從所設(shè)計(jì)的精密儀器的精度出發(fā)，根據(jù)儀器所要求的精度合理地選設(shè)計(jì)的精密儀器的精度出發(fā)，根據(jù)儀器所要求的精度合理地選擇定位與測(cè)量方法。一般情況下，擇定位與測(cè)量方法。一般情況下，定位測(cè)量系統(tǒng)的精度應(yīng)為儀定位測(cè)量系統(tǒng)的精度應(yīng)為儀器總體精度的器總體精度的1/3-1/5；定位測(cè)量系統(tǒng)的分辨率是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一定位測(cè)量系統(tǒng)的分辨率是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要參數(shù)，分辨率大小與控制系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，定

7、位個(gè)重要參數(shù)，分辨率大小與控制系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，定位測(cè)量系統(tǒng)分辨率應(yīng)小于儀器精度，通常測(cè)量系統(tǒng)分辨率應(yīng)小于儀器精度，通常取儀器精度的取儀器精度的1/3-1/10；它主要取決于光電接收元件和控制電路它主要取決于光電接收元件和控制電路的頻率響應(yīng)速度；的頻率響應(yīng)速度； 在光電儀器中所使用的光柵可看作是刻線在光電儀器中所使用的光柵可看作是刻線間距很小的間距很小的標(biāo)尺和度盤(pán)標(biāo)尺和度盤(pán)。光柵的種類(lèi)很多，按其工作原理和用途可分為：光柵的種類(lèi)很多，按其工作原理和用途可分為：物理光柵物理光柵和和計(jì)量光柵計(jì)量光柵兩種。兩種。 右圖所示，右圖所示，a為光柵為光柵柵線寬柵線寬度度，b為光柵為光柵縫隙寬度縫隙寬度即

8、即透光間透光間隙隙， 為相位光柵的斜角。光為相位光柵的斜角。光柵相鄰兩柵線的距離柵相鄰兩柵線的距離c=a+b稱(chēng)稱(chēng)為光柵的為光柵的柵距或節(jié)距柵距或節(jié)距。圖圖4-4 光柵放大圖光柵放大圖 ccabba 是利用是利用光柵的衍射效應(yīng)分光光柵的衍射效應(yīng)分光進(jìn)行工作的。進(jìn)行工作的。其其柵距較小，一般接近于光譜的波長(zhǎng)，柵距柵距較小，一般接近于光譜的波長(zhǎng)，柵距c =0.52 m。主。主要作為要作為用于光譜分析和測(cè)量等物理光學(xué)儀器中。用于光譜分析和測(cè)量等物理光學(xué)儀器中。 是利用是利用光柵形成的莫爾條紋原理光柵形成的莫爾條紋原理進(jìn)行工作。進(jìn)行工作。其柵距較大，通常情況下柵距其柵距較大，通常情況下柵距c =0.00

9、40.05mm。在精密測(cè)。在精密測(cè)長(zhǎng)和測(cè)角的光電儀器中不僅作為長(zhǎng)和測(cè)角的光電儀器中不僅作為，目，目前更多地作為前更多地作為應(yīng)用于各種數(shù)控設(shè)備。應(yīng)用于各種數(shù)控設(shè)備。計(jì)量光柵計(jì)量光柵圓光柵圓光柵長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵徑向光柵徑向光柵黑白光柵黑白光柵相位光柵相位光柵透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵玻璃載體玻璃載體切向光柵切向光柵金屬載體金屬載體玻璃載體玻璃載體金屬膜金屬膜柵線與縫隙黑白柵線與縫隙黑白相間，通常采用母光柵相間，通常采用母光柵照相復(fù)制法加工而成，照相復(fù)制法加工而成，柵距一般柵距一般0.010.05mm其橫截面呈鋸齒其橫截面呈鋸齒狀，通常用刻劃法加工狀，通常用刻劃法加工而成，柵距較小，一般而成，柵距

10、較小，一般0.0040.01mm用于用于測(cè)量，柵線數(shù)測(cè)量，柵線數(shù)通常在通常在用于用于測(cè)量，柵距角測(cè)量，柵距角 一般一般不小于不小于1 當(dāng)兩塊黑白透射光柵的刻線面當(dāng)兩塊黑白透射光柵的刻線面相疊合，并使兩者的柵線有很相疊合，并使兩者的柵線有很小的交角時(shí)，兩光柵的柵線彼小的交角時(shí)，兩光柵的柵線彼此重合，光線通過(guò)光柵后形成此重合，光線通過(guò)光柵后形成亮帶和暗帶。這種亮帶和暗帶。這種明暗相間明暗相間的的條紋稱(chēng)為條紋稱(chēng)為。 光柵光柵a光柵光柵c四棱形四棱形aabbB 叉線叉線 莫爾條紋是基于兩塊光柵疊合的莫爾條紋是基于兩塊光柵疊合的形成形成的。的。利用莫爾條紋測(cè)量位移（包括直線位移和角位移）其利用莫爾條紋測(cè)

11、量位移（包括直線位移和角位移）其核心部件是核心部件是光柵副光柵副，即，即標(biāo)尺光柵和指示光柵標(biāo)尺光柵和指示光柵。計(jì)量光柵是一種計(jì)量光柵是一種增量式編碼增量式編碼的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)器。的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)器。 長(zhǎng)光柵是以柵距長(zhǎng)光柵是以柵距c為增量的編碼尺，圓光柵是以柵距角為增量的編碼尺，圓光柵是以柵距角 為增量的編碼盤(pán)。長(zhǎng)光柵與圓光柵的編碼方程式可分別表為增量的編碼盤(pán)。長(zhǎng)光柵與圓光柵的編碼方程式可分別表示為示為cNL cNcNabx21 N 從光柵編碼方程式中看出，若以長(zhǎng)光柵作為標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)從光柵編碼方程式中看出，若以長(zhǎng)光柵作為標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)某一被測(cè)物體進(jìn)行比較測(cè)量的情形，如圖所示。某一被測(cè)物體進(jìn)行比較測(cè)量的情形，如圖所

12、示。式中式中 L -長(zhǎng)光柵的有效刻劃長(zhǎng)度；長(zhǎng)光柵的有效刻劃長(zhǎng)度； -圓光柵的圓周角；圓光柵的圓周角； N -光柵的柵線對(duì)數(shù)。光柵的柵線對(duì)數(shù)。被測(cè)物體長(zhǎng)被測(cè)物體長(zhǎng)x 2 1圖圖4-7 光柵測(cè)量示意圖光柵測(cè)量示意圖刻線刻線刻線刻線a光柵尺光柵尺Ncb 測(cè)量的實(shí)質(zhì)就是在光柵尺測(cè)量的實(shí)質(zhì)就是在光柵尺上讀取反映被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度的數(shù)上讀取反映被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度的數(shù)值值x。此值可表示為。此值可表示為或或cNx nc nc 由上式看出，所謂光柵測(cè)量實(shí)際上就是讀取相應(yīng)的光柵線數(shù)由上式看出，所謂光柵測(cè)量實(shí)際上就是讀取相應(yīng)的光柵線數(shù)N和不到一個(gè)柵距的和不到一個(gè)柵距的 。如果測(cè)量精度允許舍去小數(shù)值，測(cè)量。如果測(cè)量精度允許舍去小

13、數(shù)值，測(cè)量方程式可簡(jiǎn)化為方程式可簡(jiǎn)化為由此可知，對(duì)被測(cè)物體的測(cè)量過(guò)程，變?yōu)閱渭兊刈x取光柵柵由此可知，對(duì)被測(cè)物體的測(cè)量過(guò)程，變?yōu)閱渭兊刈x取光柵柵距數(shù)距數(shù)N的過(guò)程。從光電讀數(shù)來(lái)看，就是對(duì)光柵信號(hào)的計(jì)數(shù)。的過(guò)程。從光電讀數(shù)來(lái)看，就是對(duì)光柵信號(hào)的計(jì)數(shù)。 則小數(shù)部分則小數(shù)部分 可表示為可表示為 若如果要讀取小數(shù)部分的若如果要讀取小數(shù)部分的 ，這時(shí)必須對(duì)柵距，這時(shí)必須對(duì)柵距c進(jìn)行細(xì)分進(jìn)行細(xì)分或測(cè)微。假設(shè)將柵距分成或測(cè)微。假設(shè)將柵距分成n等分，并令等分，并令n為細(xì)分系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)，為細(xì)分系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)，則細(xì)分系統(tǒng)的分辨率則細(xì)分系統(tǒng)的分辨率 可表示為可表示為 cNcNabx21），（nmm10 cNabx MmN

14、nmNnx 式中式中M = Nn + m MmN 同理，可以寫(xiě)出圓光柵的測(cè)量方程式為同理，可以寫(xiě)出圓光柵的測(cè)量方程式為 (a) 為為原理方案圖，它模擬式原理方案圖，它模擬式x=Nc進(jìn)行工作。進(jìn)行工作。當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距 c 時(shí)，計(jì)數(shù)編碼電路送出一個(gè)計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)編碼電路送出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和譯碼顯示。數(shù)脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和譯碼顯示。式中式中 -圓光柵細(xì)分系統(tǒng)的分辨率，圓光柵細(xì)分系統(tǒng)的分辨率， = /n； M 以分辨率以分辨率 為單位的總計(jì)數(shù)值，為單位的總計(jì)數(shù)值，M =Nn+m。取樣電路取樣電路取樣電路取樣電路計(jì)數(shù)編碼電路計(jì)數(shù)編碼電路整數(shù)計(jì)數(shù)編碼整數(shù)計(jì)

15、數(shù)編碼計(jì)數(shù)和顯示計(jì)數(shù)和顯示計(jì)數(shù)與顯示計(jì)數(shù)與顯示細(xì)分電路細(xì)分電路取樣電路取樣電路細(xì)分電路細(xì)分電路計(jì)數(shù)和顯示計(jì)數(shù)和顯示分離電路分離電路（a）（b）（c）為為系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式 進(jìn)行工作。當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距進(jìn)行工作。當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距 c 時(shí)，細(xì)分電路時(shí)，細(xì)分電路可送出等于細(xì)分?jǐn)?shù)的可送出等于細(xì)分?jǐn)?shù)的n個(gè)脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)個(gè)脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)和譯碼顯示。這種原理是目前廣為采用的方案。和譯碼顯示。這種原理是目前廣為采用的方案。取樣電路取樣電路整數(shù)計(jì)數(shù)編碼整數(shù)計(jì)數(shù)編碼計(jì)數(shù)與顯示計(jì)數(shù)與顯示細(xì)分電路細(xì)分電路分離電路分離電路（c）為為的計(jì)數(shù)系統(tǒng)原理方案圖。它模擬

16、式的計(jì)數(shù)系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式進(jìn)行工作，該方案可看作進(jìn)行工作，該方案可看作(a)和和(b)的綜合。光柵信號(hào)由的綜合。光柵信號(hào)由分離電路分離出整數(shù)計(jì)數(shù)脈沖和小數(shù)計(jì)數(shù)脈沖后，分別經(jīng)整分離電路分離出整數(shù)計(jì)數(shù)脈沖和小數(shù)計(jì)數(shù)脈沖后，分別經(jīng)整數(shù)計(jì)數(shù)編碼電路和細(xì)分電路送出綜合計(jì)數(shù)脈沖。這種方案適數(shù)計(jì)數(shù)編碼電路和細(xì)分電路送出綜合計(jì)數(shù)脈沖。這種方案適用于用于高精度快速高精度快速測(cè)量。測(cè)量。要得到橫向莫爾條紋，需滿(mǎn)足：要得到橫向莫爾條紋，需滿(mǎn)足：兩光柵的柵距相等。兩光柵的柵距相等。1. 交角交角 很小，很小， 0。 橫向莫爾條紋與垂直主光柵橫向莫爾條紋與垂直主光柵方向的夾角是兩光柵夾角方向的夾角是兩光柵夾角 的

17、的1/2。 cB 橫向莫爾條紋的間距近似計(jì)算公式為橫向莫爾條紋的間距近似計(jì)算公式為光柵光柵a光柵光柵caabbB 由于交角由于交角 很小，一般只有幾分，故可認(rèn)為條紋幾乎與很小，一般只有幾分，故可認(rèn)為條紋幾乎與y軸垂直，這是把它稱(chēng)為橫向莫爾條紋的原因。軸垂直，這是把它稱(chēng)為橫向莫爾條紋的原因。 當(dāng)兩塊等柵距的當(dāng)兩塊等柵距的光柵交角光柵交角時(shí)，莫時(shí)，莫爾條紋的間距爾條紋的間距。條紋變成一片黑暗；條紋變成一片黑暗；條紋變成最明亮一片；條紋變成最明亮一片；光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 coscNs 式中的式中的 為光柵移動(dòng)方向與柵線的垂線之間的夾角，通常為光柵移動(dòng)方向與柵線的垂線之間的夾角，通常 =0 。

18、當(dāng)光柵副中任一光柵沿著垂直于柵線方向移動(dòng)時(shí)，橫向當(dāng)光柵副中任一光柵沿著垂直于柵線方向移動(dòng)時(shí)，橫向莫爾條紋就沿著近似垂直于光柵的移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。光柵移過(guò)莫爾條紋就沿著近似垂直于光柵的移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。光柵移過(guò)一個(gè)柵距一個(gè)柵距 c ，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。因此光柵移動(dòng)的，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。因此光柵移動(dòng)的距離距離s可由條紋移動(dòng)的數(shù)目可由條紋移動(dòng)的數(shù)目N來(lái)計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)數(shù) 莫爾條紋與光柵運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系莫爾條紋與光柵運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系例如：當(dāng)例如：當(dāng) =10 時(shí)，時(shí)，k = 1/ = 1/0.29 = 345 。 莫爾條紋具有對(duì)光柵位移的放大作用。莫爾條紋具有對(duì)光柵位移的放大作用。它比一般的光學(xué)和它比一般的

19、光學(xué)和機(jī)械方法易于實(shí)現(xiàn)大倍率的放大。所以莫爾條紋被廣泛機(jī)械方法易于實(shí)現(xiàn)大倍率的放大。所以莫爾條紋被廣泛地用來(lái)實(shí)現(xiàn)地用來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度高靈敏度的位移測(cè)量。的位移測(cè)量。 莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B可以通過(guò)改變交角可以通過(guò)改變交角 來(lái)調(diào)整來(lái)調(diào)整。通?？烧{(diào)通?？烧{(diào)至至10mm，以便與陣列光電器件相配合進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)，以便與陣列光電器件相配合進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這為換，這為直接位置細(xì)分法直接位置細(xì)分法提供了客觀的可能性。提供了客觀的可能性。莫爾條紋與柵距的關(guān)系可用莫爾條紋的放大系數(shù)莫爾條紋與柵距的關(guān)系可用莫爾條紋的放大系數(shù)k來(lái)來(lái)表示：表示：莫爾條紋間距與光柵柵距的關(guān)系莫爾條紋間距與光柵柵距的關(guān)系 1

20、 cBk 可較容易地實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量?？奢^容易地實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。 可利用光柵來(lái)控制制造光柵可利用光柵來(lái)控制制造光柵。也就是采用精度較低的光柵，也就是采用精度較低的光柵，得到精度很高的莫爾條紋，用莫爾條紋再控制光柵刻線機(jī)，刻得到精度很高的莫爾條紋，用莫爾條紋再控制光柵刻線機(jī)，刻制出高精度的光柵，使后一代光柵比前一代光柵的質(zhì)量更高。制出高精度的光柵，使后一代光柵比前一代光柵的質(zhì)量更高。這就是這就是。由于光電接收器接收到的條紋光信由于光電接收器接收到的條紋光信號(hào)是整個(gè)光敏區(qū)域內(nèi)所有柵線交點(diǎn)的綜號(hào)是整個(gè)光敏區(qū)域內(nèi)所有柵線交點(diǎn)的綜合結(jié)果，故對(duì)各柵距誤差起平均作用。合結(jié)果，故對(duì)各柵距誤差起平均作用。即即莫爾

21、條紋具有平均光柵誤差的作用莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 莫爾條紋與光柵柵距誤差的關(guān)系莫爾條紋與光柵柵距誤差的關(guān)系 N abc ba根據(jù)偶然誤差規(guī)律，設(shè)單個(gè)柵距誤差根據(jù)偶然誤差規(guī)律，設(shè)單個(gè)柵距誤差為為 ，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條柵線，條柵線，則綜合柵距誤差則綜合柵距誤差 可近似地表示為：可近似地表示為：當(dāng)光柵受平行光束均勻照射時(shí)莫爾條紋的光強(qiáng)成四棱形當(dāng)光柵受平行光束均勻照射時(shí)莫爾條紋的光強(qiáng)成四棱形光點(diǎn)分布，其光強(qiáng)的波形如下圖所示。在理想條件下是以莫光點(diǎn)分布，其光強(qiáng)的波形如下圖所示。在理想條件下是以莫爾條紋的間距爾條紋的間距B或光柵柵距或光柵柵距c為周期的為周期的等腰三角

22、形波形等腰三角形波形。莫爾條紋的波形特性莫爾條紋的波形特性 實(shí)際上由于兩光柵間有一定的空氣間隙，存在照明光實(shí)際上由于兩光柵間有一定的空氣間隙，存在照明光源發(fā)散角的影響，以及光柵的衍射作用、光柵刻制質(zhì)量等源發(fā)散角的影響，以及光柵的衍射作用、光柵刻制質(zhì)量等因素的影響，使莫爾條紋的因素的影響，使莫爾條紋的三角波形光強(qiáng)分布被削頂和削三角波形光強(qiáng)分布被削頂和削底底，從而形成如圖，從而形成如圖(b)所示近似正弦波形。所示近似正弦波形。BOy光強(qiáng)光強(qiáng)(a)cOy光強(qiáng)光強(qiáng)(b)。莫爾條紋理想波形為三角形波，其反差最大，即。莫爾條紋理想波形為三角形波，其反差最大，即Kmax=1。由于。由于光閘莫爾條紋光閘莫爾條

23、紋光信號(hào)的波形接近三角形波，因光信號(hào)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 根據(jù)邁克爾遜對(duì)根據(jù)邁克爾遜對(duì)條紋可見(jiàn)度條紋可見(jiàn)度即即反反差差K的定義，有的定義，有 圖圖4-11 莫爾條紋的光強(qiáng)分布圖莫爾條紋的光強(qiáng)分布圖ImaxIyOIpIminIppIm式中式中 Imax 亮條紋的光強(qiáng)度；亮條紋的光強(qiáng)度； Imin 暗條紋的光強(qiáng)度。暗條紋的光強(qiáng)度。pmpppminmaxminmaxIIIIIIIIK 2由莫爾條紋光強(qiáng)分布圖可得莫爾光信號(hào)的反差可表示為：由莫爾條紋光強(qiáng)分布圖可得莫爾光信號(hào)的反差可表示為：為為，其，其透光間隙透光間隙a與與刻劃寬度刻劃

24、寬度b相等相等，因此也稱(chēng)對(duì)稱(chēng)型相，因此也稱(chēng)對(duì)稱(chēng)型相位光柵。位光柵。為為，將，將透光間隙透光間隙a與柵距與柵距a+b之比值選在之比值選在0.6 0.7之間，這對(duì)之間，這對(duì)0級(jí)和級(jí)和1級(jí)衍射光有最佳的透過(guò)系數(shù)。級(jí)衍射光有最佳的透過(guò)系數(shù)。相位光柵的柵距較小，作為分光元相位光柵的柵距較小，作為分光元件時(shí)其柵線密度一般為件時(shí)其柵線密度一般為150 2400線線對(duì)對(duì)/mm。因此形成條紋的原理可用。因此形成條紋的原理可用光光柵的衍射效應(yīng)柵的衍射效應(yīng)來(lái)解釋。來(lái)解釋。 又稱(chēng)又稱(chēng)閃耀光柵閃耀光柵，光柵的，光柵的，通常，通常采取刻劃的方法制成。采取刻劃的方法制成。ab(a) a b(b) 普通光柵在計(jì)量過(guò)程中都是普

25、通光柵在計(jì)量過(guò)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，在測(cè)量時(shí)小，在測(cè)量時(shí)零位可任意確定零位可任意確定。若在測(cè)量過(guò)程中一旦遇到停。若在測(cè)量過(guò)程中一旦遇到停電、停機(jī)或中斷運(yùn)行等意外事故，會(huì)使前面所得的結(jié)果全部電、停機(jī)或中斷運(yùn)行等意外事故，會(huì)使前面所得的結(jié)果全部丟失，需要丟失，需要重新確定零位并重復(fù)以前的測(cè)量工作重新確定零位并重復(fù)以前的測(cè)量工作才能繼續(xù)。才能繼續(xù)。為克服增量式光柵的該缺點(diǎn)，發(fā)展了一種零位光柵系統(tǒng)。為克服增量式光柵的該缺點(diǎn)，發(fā)展了一種零位光柵系統(tǒng)。 使增量式光柵具有讓電子裝置識(shí)別零位標(biāo)記的可行方法使增量式光柵具有讓電子裝置識(shí)別零位標(biāo)記的可行方法是：是：在光柵刻線區(qū)

26、之外在刻制一組零位柵線在光柵刻線區(qū)之外在刻制一組零位柵線，使它與主光柵，使它與主光柵上的某一位置相對(duì)應(yīng)，作為主光柵的固定零位。上的某一位置相對(duì)應(yīng)，作為主光柵的固定零位。原理上講，只要原理上講，只要，就可作，就可作為零位標(biāo)記，由單獨(dú)的光電接收和電路處理成為零位信號(hào)。為零位標(biāo)記，由單獨(dú)的光電接收和電路處理成為零位信號(hào)。 但是，只有當(dāng)光柵的柵距足夠大，使接收的光電信號(hào)也但是，只有當(dāng)光柵的柵距足夠大，使接收的光電信號(hào)也足夠大，且在零位精度不高的條件下，這種方法才有實(shí)用價(jià)足夠大，且在零位精度不高的條件下，這種方法才有實(shí)用價(jià)值。可是一般光柵柵距都很小，因此值?？墒且话愎鈻艝啪喽己苄。虼藛慰p零位的光能量太

27、弱單縫零位的光能量太弱而無(wú)法工作。而無(wú)法工作。 若采用多縫等寬的光柵，雖然光能量問(wèn)題可解決，而輸若采用多縫等寬的光柵，雖然光能量問(wèn)題可解決，而輸出信號(hào)理論上是寬底的三角波，實(shí)際上近似于正弦波。所以出信號(hào)理論上是寬底的三角波，實(shí)際上近似于正弦波。所以輸出信號(hào)不是尖脈沖，零點(diǎn)位置不易判別正確。為此需要找輸出信號(hào)不是尖脈沖，零點(diǎn)位置不易判別正確。為此需要找一種一種多刻線且輸出為尖脈沖編碼多刻線且輸出為尖脈沖編碼的零位光柵系統(tǒng)。的零位光柵系統(tǒng)。 由于黑白光柵反差信號(hào)強(qiáng)，所以由于黑白光柵反差信號(hào)強(qiáng)，所以零位光柵一般都采用零位光柵一般都采用非等間距和非等非等間距和非等寬度寬度的黑白光柵。一對(duì)零位光柵作相的

28、黑白光柵。一對(duì)零位光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，其光通量對(duì)移動(dòng)時(shí)，其光通量F( x )變化的規(guī)律變化的規(guī)律符合右圖曲線，則光柵的零位對(duì)準(zhǔn)精符合右圖曲線，則光柵的零位對(duì)準(zhǔn)精度將很高。度將很高。S0正向正向反向反向OxScmF 要求零位信號(hào)是個(gè)尖三角脈沖，并盡量增大零位脈沖的峰值；要求零位信號(hào)是個(gè)尖三角脈沖，并盡量增大零位脈沖的峰值； 盡量減小最大殘余信號(hào)的幅值盡量減小最大殘余信號(hào)的幅值Scm，一般應(yīng)使，一般應(yīng)使Scm/S01/3； 考慮光柵正反向測(cè)量要求，應(yīng)使光通量函數(shù)對(duì)稱(chēng)于零位原點(diǎn)。考慮光柵正反向測(cè)量要求，應(yīng)使光通量函數(shù)對(duì)稱(chēng)于零位原點(diǎn)。 圖圖4-16 零位光柵系統(tǒng)的刻線圖零位光柵系統(tǒng)的刻線圖標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光

29、柵指示光柵指示光柵 右圖所示的一種零位光柵組右圖所示的一種零位光柵組刻線情況，從中可形象地看出當(dāng)刻線情況，從中可形象地看出當(dāng)光柵處于光柵處于零位零位時(shí)，縫隙將透過(guò)時(shí)，縫隙將透過(guò)最最大的光通量大的光通量，而在，而在偏離零位偏離零位時(shí)時(shí)光光通量將很快下降通量將很快下降，所以，所以該零位光該零位光柵組有很高的零位對(duì)準(zhǔn)精度。柵組有很高的零位對(duì)準(zhǔn)精度。 )sin()(10 tUUtu 莫爾條紋的光信號(hào)通常都采用如莫爾條紋的光信號(hào)通常都采用如四極硅光池四極硅光池等線性光電等線性光電器件接收，并以電信號(hào)的形式輸出。器件接收，并以電信號(hào)的形式輸出。 通常情況下，莫爾條紋的光電信號(hào)用電壓通常情況下，莫爾條紋的光

30、電信號(hào)用電壓 u(t) 的形式表的形式表示，其全電壓信號(hào)可表示為：示，其全電壓信號(hào)可表示為：，這是光信號(hào)，這是光信號(hào)不可能出現(xiàn)負(fù)值引起的；不可能出現(xiàn)負(fù)值引起的；，以每秒鐘內(nèi)光柵的，以每秒鐘內(nèi)光柵的移動(dòng)距離移動(dòng)距離x與柵距與柵距c 的比值來(lái)表示；的比值來(lái)表示；cx 2 光柵角頻率為：光柵角頻率為：消除直流分量后的莫爾條紋光電信號(hào)為消除直流分量后的莫爾條紋光電信號(hào)為 當(dāng)令當(dāng)令U1=1， = t+ ，上式可簡(jiǎn)化為，上式可簡(jiǎn)化為 上述三個(gè)上述三個(gè)u(t)的基本公式，在討論光柵信號(hào)的光電讀數(shù)和電子的基本公式，在討論光柵信號(hào)的光電讀數(shù)和電子細(xì)分時(shí)經(jīng)常要用到，它們是分析光柵讀數(shù)和電子細(xì)分技術(shù)的基礎(chǔ)。細(xì)分時(shí)經(jīng)

31、常要用到，它們是分析光柵讀數(shù)和電子細(xì)分技術(shù)的基礎(chǔ)。 )sin()(1 tUtu sin)( tu假設(shè)光柵假設(shè)光柵時(shí)，形成的計(jì)數(shù)脈沖為時(shí)，形成的計(jì)數(shù)脈沖為，由整形和，由整形和微分電路微分電路A1形成，經(jīng)與門(mén)電路形成，經(jīng)與門(mén)電路Y1輸出。代表輸出。代表的的，則由反相、整形和微分電路，則由反相、整形和微分電路A2形成，并經(jīng)與門(mén)電路形成，并經(jīng)與門(mén)電路Y2輸出。輸出。 光柵信號(hào)的數(shù)字測(cè)量必須要經(jīng)過(guò)光柵信號(hào)的數(shù)字測(cè)量必須要經(jīng)過(guò)脈沖計(jì)數(shù)電路脈沖計(jì)數(shù)電路才能轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，因此在光柵的動(dòng)態(tài)測(cè)量中，需要了解光柵成數(shù)字信息輸出，因此在光柵的動(dòng)態(tài)測(cè)量中，需要了解光柵信號(hào)的信號(hào)的。從以下兩方面入手：。從以

32、下兩方面入手：計(jì)數(shù)脈沖的形成計(jì)數(shù)脈沖的形成測(cè)量方向的判別測(cè)量方向的判別取樣取樣差分電路差分電路整形電路整形電路微分電路微分電路A1取樣取樣差分電路差分電路整形電路整形電路反相電路反相電路微分電路微分電路A2與門(mén)與門(mén)Y1與門(mén)與門(mén)Y2加法加法脈沖脈沖減法減法脈沖脈沖P1P2光柵信光柵信號(hào)號(hào)AB測(cè)量方向的判別測(cè)量方向的判別BABP2微分微分取樣取樣正向測(cè)量正向測(cè)量差分差分整形整形減法脈沖減法脈沖加法脈沖加法脈沖輸出輸出P1BABP2反向測(cè)量反向測(cè)量減法脈沖減法脈沖加法脈沖加法脈沖P1根據(jù)光柵運(yùn)動(dòng)根據(jù)光柵運(yùn)動(dòng)方向的不同，方向的不同，使與門(mén)電路只使與門(mén)電路只能輸出加法或能輸出加法或減法脈沖的一減法脈沖的

33、一種，即種，即測(cè)量方測(cè)量方向的判別是通向的判別是通過(guò)與門(mén)電路的過(guò)與門(mén)電路的邏輯功能進(jìn)行邏輯功能進(jìn)行的。的。 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭是將光柵的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，是將光柵的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，為光柵計(jì)數(shù)和電子細(xì)分提供原始信號(hào)。通常把光柵讀數(shù)頭為光柵計(jì)數(shù)和電子細(xì)分提供原始信號(hào)。通常把光柵讀數(shù)頭叫做叫做光柵發(fā)訊器光柵發(fā)訊器或或光柵傳感器光柵傳感器。光柵讀數(shù)頭是一個(gè)獨(dú)立裝。光柵讀數(shù)頭是一個(gè)獨(dú)立裝置，一般不包括主光柵。置，一般不包括主光柵。 但在論述光柵讀數(shù)頭的組成與工但在論述光柵讀數(shù)頭的組成與工作原理時(shí)又包括主光柵在內(nèi)。作原理時(shí)又包括主光柵在內(nèi)。 光柵讀數(shù)頭由光柵讀數(shù)頭由光源照光源照明系統(tǒng)明

34、系統(tǒng)、莫爾條紋形成系莫爾條紋形成系統(tǒng)統(tǒng)和和光電接收系統(tǒng)光電接收系統(tǒng)三個(gè)部三個(gè)部分組成。分組成。 當(dāng)光電接收器采用當(dāng)光電接收器采用硅光電池硅光電池時(shí)，由于它的受光面積較時(shí)，由于它的受光面積較大，可直接與光柵莫爾條紋的間距相匹配，此時(shí)大，可直接與光柵莫爾條紋的間距相匹配，此時(shí)可不用物鏡可不用物鏡光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)5，而直接接收莫爾條紋光信號(hào)，使結(jié)構(gòu)緊湊。，而直接接收莫爾條紋光信號(hào)，使結(jié)構(gòu)緊湊。 1-光源光源 2-聚光鏡聚光鏡 3-主光柵主光柵 4-指示光柵指示光柵 5-物鏡光學(xué)系統(tǒng)物鏡光學(xué)系統(tǒng) 6-光電接收器光電接收器3 41256光柵讀數(shù)頭分類(lèi)框圖光柵讀數(shù)頭分類(lèi)框圖光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭振幅型振幅型

35、相位型相位型直讀式直讀式鏡像式鏡像式調(diào)相式調(diào)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讀式讀數(shù)頭直讀式讀數(shù)頭 直讀式是利用直讀式是利用垂直照相系統(tǒng)垂直照相系統(tǒng)獲得莫爾條紋；獲得莫爾條紋； 直讀式直讀式適用于柵距大于適用于柵距大于0.01mm的照相振幅光柵的照相振幅光柵，對(duì)，對(duì)25100線對(duì)線對(duì)/mm的黑白光柵，標(biāo)尺光柵和指示光柵的間隙的黑白光柵，標(biāo)尺光柵和指示光柵的間隙d 可可按小按小間隙間隙d=(35)c工作工作；也可按；也可按大間隙工作大間隙工作，取，取d=c2/ 。 反射式光柵用鋼材料制成，與透射式玻璃光柵相比，其優(yōu)點(diǎn)反射式光柵用鋼材料制成，與透射式玻璃光柵相比，

36、其優(yōu)點(diǎn)是堅(jiān)固耐用，線膨脹系數(shù)與工件相近。是堅(jiān)固耐用，線膨脹系數(shù)與工件相近。直讀式光柵讀數(shù)頭光路圖直讀式光柵讀數(shù)頭光路圖1-光源光源 2-聚光鏡聚光鏡 3-物鏡物鏡 4-光電池光電池 5-主光柵主光柵 6-指示光柵指示光柵 7-場(chǎng)鏡場(chǎng)鏡 8-反射鏡反射鏡52(a)465(b)67184132分光式讀數(shù)頭分光式讀數(shù)頭 分光式莫爾條紋讀數(shù)系統(tǒng)分光式莫爾條紋讀數(shù)系統(tǒng)適用于相位光柵適用于相位光柵。 為克服兩光柵間間隙變化造成的測(cè)量誤差，應(yīng)使入射光束和為克服兩光柵間間隙變化造成的測(cè)量誤差，應(yīng)使入射光束和出射光束對(duì)光柵成鏡像對(duì)稱(chēng)，即出射光束對(duì)光柵成鏡像對(duì)稱(chēng)，即滿(mǎn)足滿(mǎn)足 最小偏角條件。最小偏角條件。 由于多級(jí)

37、衍射效應(yīng)通過(guò)限光狹縫后而大大削弱，因此這種讀由于多級(jí)衍射效應(yīng)通過(guò)限光狹縫后而大大削弱，因此這種讀數(shù)頭數(shù)頭可選用較大的光柵間隙可選用較大的光柵間隙。 分光式光柵讀數(shù)頭光路系統(tǒng)圖分光式光柵讀數(shù)頭光路系統(tǒng)圖1-光電接收器光電接收器 2-狹縫狹縫 3-聚光鏡聚光鏡 4-指示光柵指示光柵 5-主光柵主光柵 6-聚光鏡聚光鏡 7-光源光源 8-分光棱鏡分光棱鏡12(a)435675713E(b)DC86BA鏡像式讀數(shù)頭鏡像式讀數(shù)頭 鏡象式讀數(shù)頭是鏡象式讀數(shù)頭是利用主光柵和它的鏡象產(chǎn)生莫爾條紋信號(hào)利用主光柵和它的鏡象產(chǎn)生莫爾條紋信號(hào)。 其優(yōu)點(diǎn)是可獲得其優(yōu)點(diǎn)是可獲得無(wú)間隙的莫爾條紋信號(hào)無(wú)間隙的莫爾條紋信號(hào)，無(wú)

38、指示光柵；可獲，無(wú)指示光柵；可獲得得倍頻信號(hào)倍頻信號(hào)輸出，提高了靈敏度。輸出，提高了靈敏度。(b)7鏡鏡式光柵讀數(shù)頭光路圖鏡鏡式光柵讀數(shù)頭光路圖1-光源光源 2-光電接收器光電接收器 3-主光柵主光柵 4-物鏡物鏡 5-反射鏡反射鏡 6-聚光鏡聚光鏡 7-析光鏡析光鏡7(a)651212343654調(diào)相式讀數(shù)頭調(diào)相式讀數(shù)頭 調(diào)相式讀數(shù)頭的工作原理是調(diào)相式讀數(shù)頭的工作原理是基于光柵信號(hào)的相位與固定不變基于光柵信號(hào)的相位與固定不變的基準(zhǔn)信號(hào)作比較而進(jìn)行測(cè)量的的基準(zhǔn)信號(hào)作比較而進(jìn)行測(cè)量的。因此，在較差的工作條件。因此，在較差的工作條件下也能測(cè)得柵距的一個(gè)很小分?jǐn)?shù)值。下也能測(cè)得柵距的一個(gè)很小分?jǐn)?shù)值。

39、調(diào)相式光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但可獲得調(diào)相式光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但可獲得很大的細(xì)分?jǐn)?shù)很大的細(xì)分?jǐn)?shù)。61. 3-光電接收器光電接收器 2-主光柵主光柵 4-基準(zhǔn)光柵基準(zhǔn)光柵 5-析光鏡析光鏡 6. 9. 10-聚光鏡聚光鏡 7-圓柱光柵圓柱光柵 8-光源光源 11-橢圓反射鏡橢圓反射鏡 12-多邊形反射鏡多邊形反射鏡 13-反射棱鏡反射棱鏡1284（a）75324（b）9113110112386 。通?？蛇x用。通?？蛇x用CCD、PSD、陣列式光電二極管等接收、陣列式光電二極管等接收器件接受光斑，整個(gè)系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)標(biāo)定后才可確定光斑的位置器件接受光斑，整個(gè)系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)標(biāo)定后才可確定光斑的位置變化量。變化

40、量。 PSD是一種非線列非面陣的連續(xù)分布的是一種非線列非面陣的連續(xù)分布的其工作原理就是基于其工作原理就是基于。橫向光電效應(yīng)：橫向光電效應(yīng)：又稱(chēng)側(cè)向光生伏特效應(yīng)或殿巴效應(yīng)。又稱(chēng)側(cè)向光生伏特效應(yīng)或殿巴效應(yīng)。半導(dǎo)體半導(dǎo)體光照部分吸收入射光子能量后產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使該部分載流子濃度高光照部分吸收入射光子能量后產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，而出現(xiàn)載流子濃度梯度，形成載流子的擴(kuò)散。由于電于未被光照部分，而出現(xiàn)載流子濃度梯度，形成載流子的擴(kuò)散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分?jǐn)U散，致使光照部子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分?jǐn)U散，致使光照部分帶正電，未被光照部分帶負(fù)電，使兩部分間產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。分帶正電，未被光照部分帶負(fù)電，使兩部分間產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 一維一維PSD的工作原理：的工作原理：當(dāng)光束入射到當(dāng)光束入射到PSD光敏層上距中心點(diǎn)光敏層上距中心點(diǎn)的距離為的距離為x時(shí)，在入射位置產(chǎn)生與光輻射成正比的信號(hào)電荷，時(shí)，在入