光柵與編碼器介紹

3.單場(chǎng)掃描的干涉測(cè)量原理

　 對(duì)于柵距很小的光柵，指示光柵是一個(gè)透明的相位光柵，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(jí)的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中+1和-1級(jí)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(duì)應(yīng)的。光調(diào)制產(chǎn)生3個(gè)相位相差120°的測(cè)量信號(hào)，由3個(gè)光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差90°的正弦信號(hào). Heidenhain LF、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)品都是亞微米和納米級(jí)的，其中最小分辨力達(dá)到1納米。

　 在80年代后期柵距為10μm的透射光柵LID351（分辨力為0.05μm）其間隙要求就比較嚴(yán)格為（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉測(cè)量原理對(duì)納米級(jí)的衍射光柵安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度都很寬（表1所示）。只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512μm，經(jīng)光學(xué)倍頻后信號(hào)周期為0.128μm，其他柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的信號(hào)周期為4μm和2μm，其分辨力為5nm和50nm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度為±0.5μm和±1μm，速度為30m/min。LIF系列柵距是8μm，分辨力0.1μm，準(zhǔn)確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度系數(shù)近于0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(hào)周期為4μm，測(cè)量分辨力0.1μm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)到3m，載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻璃。

四、光柵測(cè)量系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

　　 1.測(cè)量準(zhǔn)確度（精度）

　　 光柵線位移傳感器的測(cè)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（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），其次才是信號(hào)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(cè)量準(zhǔn)確度的是在光柵整個(gè)測(cè)量長(zhǎng)度上的位置偏差和光柵一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差。

　　 光柵尺的準(zhǔn)確度（精度）用準(zhǔn)確度等級(jí)表示，Heidenhain定義為：在任意1m測(cè)量長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)建立在平均值基礎(chǔ)上的位置偏差的最大值Fmax均落在±α（μm）之內(nèi)，則±α為準(zhǔn)確度等級(jí)。Heidenhain準(zhǔn)確度等級(jí)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(zhǔn)確度等級(jí)和測(cè)量長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，這是很高的一個(gè)要求，現(xiàn)在還沒有見到其他生產(chǎn)廠家能夠達(dá)到這一水平。