光柵與編碼器介紹

3.單場掃描的干涉測量原理

　 對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透明的相位光柵，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(yīng)的。光調(diào)制產(chǎn)生3個相位相差120°的測量信號，由3個光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差90°的正弦信號. 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，信號周期為4μm，測量分辨力0.1μm，系統(tǒng)準(zhǔn)確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達(dá)到3m，載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻璃。

四、光柵測量系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題

　　 1.測量準(zhǔn)確度（精度）

　　 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（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），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（精度）用準(zhǔn)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(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。Heidenhain準(zhǔn)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(zhǔn)確度等級和測量長度無關(guān)，這是很高的一個要求，現(xiàn)在還沒有見到其他生產(chǎn)廠家能夠達(dá)到這一水平。