光柵測量知識

光柵測量學(xué)問現(xiàn)代光柵測量技術(shù)205070年月，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)確實(shí)定式測量和周期外的增量式測量結(jié)合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，相互補(bǔ)充，在競爭中都得到了進(jìn)展。但光柵測量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其它4種，而且其制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵進(jìn)展最快，技術(shù)性能最高，市場占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。在柵式測量系統(tǒng)中，光柵的占有率已超過80%,光柵長度測量系統(tǒng)的區(qū)分率已掩蓋微米級、亞微米級和納米級;60m/min480ni/niinIm、3m30m和100mo光柵測量技術(shù)的進(jìn)展計量光柵技術(shù)的根底莫爾條紋是由英國物理學(xué)家LRayleigh首先提出的。到20世紀(jì)50年月才開頭利用光柵的莫爾條紋進(jìn)展周密HeidenhainDIADUR板上蒸發(fā)鍍鎔的光刻復(fù)制工藝，可制造出高精度、價格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計量儀器才被寬闊用戶所承受，并進(jìn)入商品市場。1953Ferranti公司提出了一個4信任號系統(tǒng)，可以在一個莫爾條4倍頻細(xì)分，并能鑒別移11頁動方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系統(tǒng)的根底，并一直應(yīng)用至今。60Heidenhain公司開頭開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4ym的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測量系1pm1角秒的測量區(qū)分率。1966年又制造出20ym80年月又推出了AUR0DUR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(biāo)記的根底上增加了距離編碼。1987年,又提原理，即承受衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級的測量,并允許較寬松的安裝。1997年推出用于確定編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使確定編碼器和增量編碼器一樣很便利地應(yīng)用于測量系統(tǒng)?，F(xiàn)在已分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣,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%,開啟式光柵尺約占公司的產(chǎn)品銷售額中，直線光柵編碼器約占40%,數(shù)顯、數(shù)控及倍頻器占30%0Heidenhain公司總部的年銷售額約為7億歐元。國外企業(yè)的人均產(chǎn)值在10 15萬美元左右，爭論開發(fā)人員約占雇員的10%,產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費(fèi)約占銷售額的15%。當(dāng)今承受的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列依據(jù)形成莫爾條紋原理的不同，激光可分為幾何光柵和衍射光柵，又可依據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。微米級和亞微米1OOym至11頁20Mm遠(yuǎn)大于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以無視，當(dāng)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。Sum或4pm柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干預(yù)現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱干預(yù)原理?，F(xiàn)將德國Heidenhain公司產(chǎn)品承受的三種測量原理加以介紹。具有四場掃描的影像測量原理承受垂直入射光學(xué)系統(tǒng)均為4信任號系統(tǒng)，是將指示光柵開四個41/44個光電元件4信任號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均承受此原理，其柵距為20umym,準(zhǔn)確度為±10、±5、±3ym3m,載體為玻璃。有準(zhǔn)單場掃描的影像測量原理反射標(biāo)尺光柵是承受40um柵距的鋼帶，指示光柵用兩個相互穿插并有不同衍射性能的相位光柵組成，為此，一個掃描場就可以產(chǎn)生相移為1/4柵距的四個圖象，稱此原理為準(zhǔn)單場掃描的影像測量原理。由于只用一個掃描場，標(biāo)尺光柵局部的污染使光場強(qiáng)度的變化是均勻的，并對四個光電接收元件的影響是一樣的，因此不會影響光柵信號的質(zhì)量。與此同時，指示光柵和標(biāo)尺光柵的間隙和間隙方差能大一些。HeidenhainLBLIDA系列的11頁金屬反射光柵就是承受這一原理。LIDA系列開式光柵，其柵距為40ym20ym,ym,準(zhǔn)確度有±5ym±3ym,測量長度,480m/min。LB系列閉40ym,120m/mino單場掃描的干預(yù)測量原理對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透亮的相位光柵，標(biāo)尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，在每一級的諸光束相互干預(yù)，就形成了莫爾條紋，其中1和T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個相位差120°90°的正弦信號。HeidenhainLF、LIP、LIF系列光柵尺是按干預(yù)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)品都是亞微米和鈉米級的，其中最小區(qū)分率到達(dá)1納米。2080lOym的透射光柵LID351,其間隙要求就比較嚴(yán)格nrni。由于釆用了的干預(yù)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(biāo)尺光O表1指示光柵和標(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度光柵型號一信號周期一區(qū)分率一間隙一平行度LIP372——1——±LIP471—2—5-------土11頁LIP571-4-50——±只有衍射光柵LIP372的柵距是urn,經(jīng)光學(xué)倍頻后，信號周期為ym,8ym4ym,經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的4iim2ym,5nm50nm,系統(tǒng)準(zhǔn)確Mm1ym,30m/minoLIFSum.l?m72m/mino其載體為溫度系數(shù)近于零的玻璃陶瓷或溫度系數(shù)為8ppm/K的玻璃。衍射光柵LF系列Sum,4ym,測量分±Sum和±2um,60m/min,3ni,載體承受鋼尺和鋼膨脹系數(shù)一樣的玻璃。測量準(zhǔn)確度光柵線位移傳感器的測量準(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，其次才是信號處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標(biāo)尺光柵導(dǎo)向的誤差。影響光柵尺測量準(zhǔn)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(zhǔn)確度用準(zhǔn)確度等級表示，Heidenhain定義為:在任意Im測量長度區(qū)段內(nèi)建立在平均值根底上的位置偏差的最大值Fmax均落在±a之內(nèi)，則土aHeidenhain準(zhǔn)確度等級劃分為：土、土、土、土11頁2、土3、土O由此可見”Heidenhain光柵尺的準(zhǔn)確度等級和測量長度無關(guān)，這是很高的一個要求，目前還沒有一家廠商能夠到達(dá)這一水平?，F(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只承受40ym,4ym8ym,光學(xué)二倍2Mm4?m□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2。2光柵信號周期及位置偏差光柵類別一信號周期一一個信號周期內(nèi)的位置偏差幾何光柵一20和40—開啟式光柵尺±1%,即±?±；封閉式光柵尺±2%,即土?±衍射光柵一2和4一開啟式光柵尺±1%,即±?±;封閉式光柵尺±2%,即±?±信號的處理及柵距的細(xì)分光柵的測量是將一個周期內(nèi)確實(shí)定式測量和周期外的增量式測量結(jié)合在一起，也就是說在柵距一個周期內(nèi)將柵距細(xì)分后進(jìn)展確定的測量，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(yùn)動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質(zhì)量有肯定的要求，由于這影響電子細(xì)分的精度，也就是影響光柵測量信號的細(xì)分?jǐn)?shù)和測量區(qū)分11頁率。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵測量系統(tǒng)的準(zhǔn)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(bǔ)電路要求頻率特性好，才能保證測量速度高。公司特地為光柵傳感器和etc相聯(lián)結(jié)設(shè)計了光柵倍頻器，即將光柵傳感器輸出的正弦信號進(jìn)展插補(bǔ)和數(shù)字化處理后給出相位90的方波，其細(xì)分?jǐn)?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(xì)分?jǐn)?shù)有20、40、100200、400、8001600,Inm到Bum,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(xì)分?jǐn)?shù)和3o3倍頻器的倍頻細(xì)分和輸入頻率倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)：0—2—10—25—50—100—200—400輸入頻率：600-500-200-100-50-25——11頁選擇不同的倍頻數(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)，最高頻數(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)顯卡最大倍頻數(shù)可到4096。光柵的參數(shù)標(biāo)記和確定坐標(biāo)①光柵確定位置確實(shí)立光柵是增量測量，光柵尺確實(shí)定位置是利用參考標(biāo)記確定。參考標(biāo)記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期全都，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統(tǒng)一個測量步距全都。為了縮短回零位的距離，Heidenhain公司設(shè)計了在測量全長內(nèi)按距離編碼的參考標(biāo)記，每當(dāng)經(jīng)過兩個參考標(biāo)記后就可以確定光柵尺的絕對位置，如柵距為和20pm的光柵尺掃描單元相對于標(biāo)尺的移動20mm后就可確定確定40ym的光柵尺要移80mm才能確定確定位置。②確定坐標(biāo)傳感器為了在任何時刻測量到確定位置，Heidenhain設(shè)計制造了LC系列確定光柵尺，它是用七個增量碼道得到確定位置，每個碼道是不16Mm,另一種20ym,ym,準(zhǔn)確度±3ym,測量長度可達(dá)3tn,最大速度120m/mino它所承受的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。光柵的載體11頁光柵尺在20°±工環(huán)境中制造，光柵尺