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光栅测量知识现代光栅测量技术从20世纪50年代至70年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制标尺它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了发展但光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从60m/min至480m/min测量长度从lm、3m至30m和100m光栅测量技术的发展计量光栅技术的基础莫尔条纹是由英国物理学家LRayleigh首先提出的到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场1953年，英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直应用至今。

60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4um的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，可实现lum和1角秒的测量分辨率1966年又制造出了栅距为20um的封闭式直线光栅编码器在80年代又推出了AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记的基础上增加了距离编码1987年，又提出一种新的干涉原理，即采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用于测量系统现在光栅测量系统已分完善，应用的领域很广，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%,开启式光栅尺约占15%在Heidenhain公司的产品销售额中，直线光栅编码器约占40%，圆光栅编码器占30%，数显、数控及倍频器占30%Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元国外企业的人均产值在10〜15万美元左右，研究开发人员约占雇员的10%，产品研发经费约占销售额的15%当今采用的光电扫描原理及其产品系列根据形成莫尔条纹原理的不同，激光可分为几何光栅和衍射光栅，又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。

微米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为100um至20um，远大于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距为8um或4um，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理现将德国Heidenhain公司产品采用的三种测量原理加以介绍具有四场扫描的影像测量原理采用垂直入射光学系统均为4相信号系统，是将指示光栅开四个窗口分为4相，每相栅线依次错位1/4栅距，在接收的4个光电元件上可得到理想的4相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理Heidenhain的LS系列产品均采用此原理，其栅距为20um，测量步距为um，准确度为土10、±5、±3um三种，最大测量长度为3m，载体为玻璃有准单场扫描的影像测量原理反射标尺光栅是采用40um栅距的钢带，指示光栅用两个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，为此，一个扫描场就可以产生相移为1/4栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影像测量原理由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。

与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙方差能大一些HeidenhainLB和LIDA系列的金属反射光栅就是采用这一原理LIDA系列开式光栅，其栅距为40um和20um，测量步距为um，准确度有土5um、±3um，测量长度可达30m，最大速度为480m/minLB系列闭式光栅栅距都是40um，最大速度可达120m/min单场扫描的干涉测量原理对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1和-1级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的光调制产生3个相位差120°的测量信号，由三个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差90°的正弦信号HeidenhainLF、LIP、LIF系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和钠米级的，其中最小分辨率达到1纳米在20世纪80年代后期，栅距为10um的透射光栅LID351，其间隙要求就比较严格mm由于采用了新的干涉测量原理，对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽。

表1指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度光栅型号－信号周期－分辨率－间隙－平行度LIP372——1——土LIP471—2—5——土LIP571－4－50－－±只有衍射光栅LIP372的栅距是um，经光学倍频后，信号周期为um,其它栅距均为8um和4um，经光学二倍频后得到的信号周期为4um和2um，其分辨率为5nm和50nm，系统准确度为土um和土lum，速度为30m/minLIF系列栅距是8um,分辨率um,准确度土lum，速度为72m/min其载体为温度系数近于零的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8um,信号周期为4um，测量分辨率um,系统准确度土3um和土2um，最大速度60m/min，测量长度达3m,载体采用钢尺和钢膨胀系数一样的玻璃光栅测量系统的几个关键问题测量准确度光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量，其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差光栅尺的准确度用准确度等级表示，Heidenhain定义为：在任意lm测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值Fmax均落在土a之内，则土a为准确度等级。

Heidenhain准确度等级划分为：土、土、土、土1、土2、±3、±5、土10和土15um由此可见，Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的一个要求，目前还没有一家厂商能够达到这一水平现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20um和40um，对衍射光栅栅距采用4um和8um，光学二倍频后信号周期为2um和4umHeidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为土1%，闭式光栅仅为土2%，光栅信号周期及位置偏差见表2表2光栅信号周期及位置偏差光栅类别－信号周期－一个信号周期内的位置偏差几何光栅一20和40—开启式光栅尺土1%，即土〜土；封闭式光栅尺土2%，即土〜土衍射光栅一2和4—开启式光栅尺土1%，即土〜土；封闭式光栅尺土2%，即土〜土信号的处理及栅距的细分光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有一定的要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数和测量分辨率。

栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要小对读数头中的光电转换电路和后续的数字化插补电路要求频率特性好，才能保证测量速度高公司专门为光栅传感器和crc相联结设计了光栅倍频器，即将光栅传感器输出的正弦信号进行插补和数字化处理后给出相位相差90°的方波，其细分数有5、10、25、50、100、200和400，再考虑到数控系统的4倍频后对栅距的细分数有20、40、100、200、400、800和1600，能实现测量步距从1nm到5um,倍频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量随着倍频数的增加，光栅传感器的输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表3表3倍频器的倍频细分和输入频率倍频细分数：0－2－10－25－50－100－200－400输入频率：600－500－200－100－50－25－－选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距在Heidenhain的数显表中可以设置15种之多的倍频数，最高频数可达1024，即1，2，4，5，10，20，40，50，64，80，100，128，200，400，1024。

在微机上用的数显卡最大倍频数可到4096光栅的参数标记和绝对坐标① 光栅绝对位置的确立光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记确定参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，经后续电路处理后参考信号的脉冲宽度和系统一个测量步距一致为了缩短回零位的距离，Heidenhain公司设计了在测量全长内按距离编码的参考标记，每当经过两个参考标记后就可以确定光栅尺的绝对位置，如栅距为4um和20um的光栅尺扫描单元相对于标尺的移动20mm后就可确定绝对位置，栅距为40um的光栅尺要移动80mm才能确定绝对位置② 绝对坐标传感器为了在任何时刻测量到绝对位置，Heidenhain设计制造了LC系列绝对光栅尺，它是用七个增量码道得到绝对位置，每个码道是不同的，刻线最细码道的栅距有两种，一种是16um，另一种是20um，其分辨率都可为um，准确度土3um，测量长度可达3m，最大速度120m/min它所采用的光电扫描原理和常用的透射光栅一样，是具有四场扫描的影像测量原理光栅的载体光栅尺在20°土C环境中制造，光栅尺的热性能直接影响到测量精度，在使用上光栅尺的热性能最好和被测件的热性能一致考虑到不同的使用环境，Heidenhain光栅尺刻度的载体具有不同的热膨胀系数。

现有的材料有玻璃、钢和零膨胀的玻璃陶瓷普通玻璃的膨胀系数为8ppm/K,现在Heidenhain已采用了具有钢一样膨胀系数的玻璃这些材料对振动、冲击不敏感，具有确定的热特性，不受气压和湿度变化的影响对测量长度在3m以下的光栅尺载体材料都采用玻璃、玻璃陶瓷和钢，超过3m以上则用钢带通过对标尺载体所用材料和相应结构的选择，使光栅尺与被测件的热性能有最佳的匹配。