光柵技術參考文檔

光柵技術從20世紀50年代至70年代，柵式測量系統(tǒng)從感應同步器發(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)的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制(或英制)標尺。它們有各自的優(yōu)點，相互補充，在競爭中都得到了發(fā)展。但光柵測量系統(tǒng)的綜合技術性能優(yōu)于其它 4種，而且其造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展最快，技術性能最高，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80量速度從60m/min480m/min1m、3m30m100m光柵測量技術的發(fā)展計量光柵技術的基礎——莫爾條紋(Moirefringes)LRayleigh首先提出的。到20501950Heidenhain首創(chuàng)DIADUR尺，所以光柵計量儀器才被廣大用戶所接受，并進入商品市場。 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，是光柵測量系統(tǒng)的基礎，并一直應用至今。?60年代初，德國Heidenhain公司開始開發(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/轉的圓光柵測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)1μm和1角秒的測量分辨率。1966年又制造出了柵距為20μm(50線/mm)的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出了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 (位)的基礎上增加了距離編碼。1987年，又提出一種新的干涉原理，即采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，并允許較寬松的安裝。 1997年推出用于絕編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便地應用于測量系統(tǒng)。現(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，應用的領域很廣，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在 60萬件左右，其中封閉式光柵尺占85%，開啟式光柵尺約占15%。在Heidenhain公司的產(chǎn)品銷售額中，直線光柵編碼器約占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%。當今采用的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列根據(jù)形成莫爾條紋原理的不同，激光可分為幾何光柵 (幅值光柵)和射光柵(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。微米級和?微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為 100μm至20μm，遠大于光源光波波長，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，光柵柵距為8μm4μm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?，F(xiàn)將德國Heidenhain公司產(chǎn)品采用的三種測量原理加以介紹。?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1/4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，最大測量長度為3m璃。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相互交錯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。HeidenhainLIDALIDA40μm20μm，測量步距為0.1μm，準確度有±5μm、±3μm長度可達30m，最大速度為480m/minLB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達120m/min單場掃描的干涉測量原理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的。光調(diào)制產(chǎn)生3個相位差120°測量信號，由三個光電元件接收，隨后又轉換成通用的相位差 90°的正弦信號。HeidenhainLF、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?微米和鈉米級的，其中最小分辨率達到1納米。在20世紀80年代后期，柵距為10μm的透射光柵LID351(分辨率為0.05μm)，其間隙要求就比較嚴格(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(見表1)。表1指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度光柵型號－信號周期(μm(nm)(mm)LIP3720.2181－0.3－±0.02LIP471－2－5－0.6－±0.02LIP571－4－50－0.5只有衍射光柵LIP3720.512μm，經(jīng)光學倍頻后，信號周期為0.128μm,其它柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm，其分辨率為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,分辨率0.1μm,準確度±1μm，速度為72m/min。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系列是閉式光柵尺，其柵距為8μm,信號周期為4μm，測量分辨率0.1μm,系統(tǒng)準確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達3m,載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)(10ppm/K)一樣的玻璃。?光柵測量系統(tǒng)的幾個關鍵問題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)建立在平均值基礎上的位置偏差的最大值 Fmax均在±a(μm)之內(nèi)，則±a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，這是很高的一個要求，目前還沒有一家廠商能夠達到這一水平。?Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm40μm，對衍射光柵柵距采用4μm8μm，光學二倍頻后信號周期為2μm4μm。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光柵信號周期及位置偏差光柵類別－信號周期(μm)－一個信號周期內(nèi)的位置偏差(μm)2040－開啟式光柵尺±1%，即±0.2～±0.4；柵尺±2%，即±0.4～±0.824－開啟式光柵尺±1%，即±0.02～±0.04；柵尺±2%，即±0.02～±0.08信號的處理及柵距的細分?光柵的測量是將一個周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結合在一起，也就是說在柵距一個周期內(nèi)將柵距細分后進行絕對的測量，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)量有一定的要求，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))和測量分辨率(測量步距)。柵距的細分數(shù)和準確性也影響光測量系統(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，才能保證測量速度高。 ?Heidenhain公司專門為光柵傳感器和crc相聯(lián)結設計了光柵倍頻器，即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、1002004004倍頻后對柵距的細分數(shù)有204010020040080016001nm5μm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)和輸入頻率的關系見表 3表3倍頻器的倍頻細分和輸入頻率0－2－10－25－50－100200400輸入頻率（KHz）：60050020010050－25－12.56.25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)顯表中可以設置15種之多的倍頻數(shù)，最高頻數(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)顯卡最大倍頻數(shù)可到4096。?光柵的參數(shù)標記和絕對坐標?①光柵絕對位置的確立?光柵是增量測量，光柵尺的絕對位置是利用參考標記 (零位)確定。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公司設計了在測量全長內(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絕對位置，如柵距為4μm20μm