光柵測量技術(shù)的發(fā)展介紹

從20世紀(jì)50年代至70年代，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)的絕對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(或英制)標(biāo)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(shù)性能優(yōu)于其它4種，而且其制造費用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)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)的分辨率已覆蓋微米級、亞微米級和納米級；測量速度從60m/min至480m/min。測量長度從1m、3m至30m和100m。?

    光柵測量技術(shù)的發(fā)展

    計量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)——莫爾條紋(Moire fringes)是由英國物理學(xué)家L Rayleigh首先提出的。到20世紀(jì)50年代才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測量。1950年，德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，即在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(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廣大用戶所接受，并進(jìn)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(xì)分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直應(yīng)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(zhuǎn)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(biāo)記(零位)的基礎(chǔ)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年推出用于絕對編碼器的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(yīng)用于測量系統(tǒng)�，F(xiàn)在光柵測量系統(tǒng)已十分完善，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(dāng)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)和衍射光柵(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。微米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm，遠(yuǎn)大于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以忽略，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。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距為8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(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。?

    (1)具有四場掃描的影像測量原理(透射法)?

    采用垂直入射光學(xué)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(zhǔn)確度為±10、±5、±3μm三種，最大測量長度為3m，載體為玻璃。

    (2)有準(zhǔn)單場掃描的影像測量原理(反射法)?

    反射標(biāo)尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵(掃描掩膜)用兩個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。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。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開式光柵，其柵距為40μm和20μm，測量步距為0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm、±3μm，測量長度可達(dá)30m，最大速度為480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達(dá)120m/min。?

    (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個相位差120°的測量信號，由三個光電元件接收，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)品都是亞微米和鈉米級的，其中最小分辨率達(dá)到1納米。

    在20世紀(jì)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(yán)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(biāo)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(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度

    光柵型號－信號周期(μm)－分辨率(nm)－間隙(mm)－平行度(mm)

    LIP372－0.218－1－0.3－±0.02

    LIP471－2－5－0.6－±0.02

    LIP571－4－50－0.5－±0.06

    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,其它柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm，其分辨率為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,分辨率0.1μm,準(zhǔn)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(zhǔn)確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達(dá)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(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±a(μm)之內(nèi)，則±a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，目前還沒有一家廠商能夠達(dá)到這一水平。?

    現(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm，對衍射光柵柵距采用4μm和8μm，光學(xué)二倍頻后信號周期為2μm和4μm。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)

    幾何光柵－20和40－開啟式光柵尺±1%，即±0.2～±0.4；封閉式光柵尺±2%，即±0.4～±0.8

    衍射光柵－2和4－開啟式光柵尺±1%，即±0.02～±0.04；封閉式光柵尺±2%，即±0.02～±0.08

    (2)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)的絕對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)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(xì)分的精度，也就是影響光柵測量信號的細(xì)分?jǐn)?shù)(倍頻數(shù))和測量分辨率(測量步距)。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(jié)設(shè)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(jìn)行插補和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細(xì)分?jǐn)?shù)(倍頻數(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、100、200、400、800和1600，能實現(xiàn)測量步距從1nm到5μm,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)和輸入頻率的關(guān)系見表3。

    表3 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（KHz）：600－500－200－100－50－25－12.5－6.25

    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(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。?

    (3)光柵的參數(shù)標(biāo)記和絕對坐標(biāo)?

    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(biāo)記(零位)確定。參考標(biāo)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(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4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對于標(biāo)尺的移動20mm后就可確定絕對位置，柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。?

    ②絕對坐標(biāo)傳感器?

    為了在任何時刻測量到絕對位置，Heidenhain設(shè)計制造了LC系列絕對光柵尺，它是用七個增量碼道得到絕對位置，每個碼道是不同的，刻線最細(xì)碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨率都可為0.1μm，準(zhǔn)確度±3μm，測量長度可達(dá)3m，最大速度120m/min。它所采用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。?

    (4)光柵的載體?

    光柵尺在20°±0.1℃環(huán)境中制造，光柵尺的熱性能直接影響到測量精度，在使用上光柵尺的熱性能最好和被測件的熱性能一致。考慮到不同的使用環(huán)境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)。現(xiàn)有的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K，現(xiàn)在Heidenhain已采用了具有鋼一樣膨脹系數(shù)的玻璃。這些材料對振動、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，不受氣壓和濕度變化的影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都采用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標(biāo)尺載體所用材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的選擇，使光柵尺與被測件的熱性能有最佳的匹配。