光柵式位移測量[資料分享]

1、光柵式位移測量 欣欣 機械學(xué)院摘要 光柵是高精度位移測量元件，它與數(shù)字信號處理儀表配套，組成位移測量系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床等自動化設(shè)備當中。光柵測量位移的原理主要是利用光柵莫爾條紋原理來實現(xiàn)的.本文主要介紹了光柵的測量位移原理以及幾種干涉的測量方法，有助于簡單了解光柵式位移測量。關(guān)鍵詞 光柵 莫爾條紋 辨向 光柵干涉1 引言隨著人們對大量程、高分辨力和高精度的測量要求的不斷深化，光柵位移測量技術(shù)正在受到越來越廣泛的重視。相比于其它高精度位移測量方法，光柵位移測量在結(jié)構(gòu)、光路、電路和數(shù)據(jù)處理方面都比較簡單、緊湊，整個系統(tǒng)體積小、成本低、易于儀器化、適合于推廣應(yīng)用；同時，它以實物形式提供測量

2、基準，既可以采用低熱膨脹系數(shù)的石英或零膨脹玻璃等材料作為基體，也可以采用具有和鋼等材料非常接近的熱膨脹系數(shù)的玻璃或金屬材料作為基體，穩(wěn)定可靠，零點漂移極小，對環(huán)境條件的要求低，對實驗研究及工程應(yīng)用都非常方便，在位移測量領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。 傳統(tǒng)的光柵測量系統(tǒng)一般是采用接受光柵副的莫爾條紋信號，然后進行電子細分和處理來實現(xiàn)位移量的測量。但此類基于光強幅度調(diào)制的測量系統(tǒng)，為達到信噪比很大的穩(wěn)定輸出，必須使得經(jīng)莫爾條紋產(chǎn)生的光電輸出電壓的交變成分幅值盡可能大。這就要求標光柵和指示光柵之間的距離必須很小且穩(wěn)定。中間不能有異物而生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，常常會因為污染而使傳感器信號變壞，甚至不能工作。粗光柵

3、位移測量系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)光柵測量的優(yōu)點，同時又改進了它的不足。它采用柵距為0.635mm的反射式粗線紋光柵尺光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成物方遠心光路，取消了指示光柵這種系統(tǒng)中光柵尺不用密封。傳感頭與光柵尺之間工作間隙為15mm左右，表面不怕沾有油或水。同時由于其具有自對準特性加之線紋間距大，因而具有接長方便的特點。特別適用于需要進行大范圍測量和定位的各種大中型數(shù)控機床。2 光柵式位移測量分析21光柵測量原理211光柵的分類和結(jié)構(gòu) 光柵種類很多，可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵主要是利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析和光波波長測定，而在檢測技術(shù)中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移

4、測量，有很高的分辨力。計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、主光柵、指示光柵、光電元件三大部分組成。光電元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。計量光柵的結(jié)構(gòu)圖如圖21所示。212莫爾條紋 下面以透射式黑白光柵為例來分析光柵測量位移的工作原理。把長短兩塊光柵重疊放置，但中間留有微小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一很小的夾角p，如圖22所示。當有光照時，光線就從兩塊光柵刻線重合處的縫隙透過，形成明亮的條紋，如圖22中的a-a所示。在兩塊光柵刻線錯開的地方，光線被遮住而不能

5、透過，于是就形成暗的條紋，如圖22中的b-b所示。這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，其方向與光柵刻線近似垂直，相鄰兩明亮條紋之間的距離BH稱為莫爾條紋間距。213光柵測量位移的工作原理 若標尺光柵和指示光柵的刻線密度相同，即光柵柵距d相等，則莫爾條紋的間距見式(2-1)。 由于口角很小，故莫爾條紋間距粕遠大于光柵柵距d，即莫爾條紋具有放大作用。測量時，把標尺光柵與被測量對象相聯(lián)結(jié)，使之隨其一起運動。當標尺光柵沿著垂至于刻線的方向相對于指示光柵移動時，莫爾條紋就沿著近似垂直于光柵移動的方向運動。當光柵移動一個柵距d時，莫爾條紋也相應(yīng)地欲動一個莫爾條紋間距粕。因此，可以通過莫爾條紋的移動來測量光柵移

6、動的大小和方向。對于一個固定的觀測點，其光強隨莫爾條紋的移動，亦即隨光柵的移動按近似余弦的規(guī)律變化，光柵每移動一個柵距，光強變化一個周期。如果在該觀測點放置一個光電元件(一般用硅光電池、光敏二極管或三極管)，就可把光強信號轉(zhuǎn)變成按同一規(guī)律變化的電信號，即由公式(22)所示。 可以看出，在莫爾條紋間距BH的14，34處信號變化斜率最大，靈敏度最高，故通常都以這些點作為觀測點。 通過整形電路，把正弦信號轉(zhuǎn)變成方波脈沖信號，每經(jīng)過一個周期輸出一個方波脈沖，這樣脈沖數(shù)就與光柵移動過的柵距數(shù)相對應(yīng)，因而位移X=Nd。22辨向電路 對于一個固定的觀測點，不論光柵向哪個方向運動，光照強度都只是作明暗交替變化

7、，光敏元件總是輸出同一規(guī)律的變化的電信號，因此僅依該信號是無法判別光柵移動的方向的。為了辨別方向，通常在相距B4的位置安放兩個光敏元件l和2，如圖23所示，從而獲得相位相差為900的兩個幣弦信號。然后把這兩個電壓信號U1和U2輸入到圖24所示的辨向電路進行處理。 當標尺光柵向左移動，莫爾條紋向上移動時，光敏元件l和2分別輸出圖2-5(a)所示的電壓信號Ul和U2，經(jīng)放大整形后得到相位相差90度的兩個方波信號經(jīng)反相后得到U”1方波。和u”1和u1經(jīng)RC微分電路后得到兩組光脈沖信號U 1w和U”1w，分別輸入到與門YI和Y2的輸入端。對與門Y1，由于U1w處于高電平時，u2總是低電平，故脈沖被阻塞

8、，YI無輸出；對與門Y2，U ”1w處于高電平，u2也正處于高電平，故允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制觸發(fā)器使之置”l”，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當標尺光柵反向移動時，輸出信號波形如圖25(b)，與門Y2阻塞，Yl輸出脈沖信號使觸發(fā)器置”0”，可逆計數(shù)器對與門Y1輸出的脈沖進行減法計數(shù)。這樣每當光柵移動一個柵距時，辨向電路只輸出一個脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)即代表光柵位移X3 發(fā)展現(xiàn)狀31國外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀光柵位移測量起源于20世紀50年代，1953年英國Ferranti公司的愛丁堡實驗室建立了第1個利用莫爾條紋系統(tǒng)測量位移的工作樣機。1954年，GUILD在其著作“Th

9、e interference system of crossed diffractiongratings”中首次提出莫爾干涉的思想。1967年，POST首次根據(jù)GUILD提出的原理，把1塊粗光柵和1塊細光柵組合到一起，通過合理地選擇衍射光的級次，實現(xiàn)了條紋倍增，得到了相當于采用2001inemm光柵的測量靈敏度。20世紀80年代初期，POST等人用Lloyd反射鏡和光柵構(gòu)造了一個簡單的莫爾干涉系統(tǒng)，實現(xiàn)了相當于采用40001inemm光柵的靈敏度，這才使莫爾干涉位移測量真正走上了實用的階段【1】。 從20世紀70年代以來，數(shù)顯量具隨著微電子、激光技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機等前沿技術(shù)的迅猛發(fā)展而迅速

10、發(fā)展起來，并逐步開始替代傳統(tǒng)機械量具，同時由于光刻、復(fù)制技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使光柵測量系統(tǒng)生產(chǎn)成本大大下降，可靠性增高，測量長度和精度也得到迅速提高，因此國外在70年代光柵測量系統(tǒng)就用于數(shù)顯和數(shù)控機床，從當初占機床測量系統(tǒng)的10發(fā)展到今天占到8017J。目前全世界能制造光柵測量系統(tǒng)的國家有德國、日本、英國、西班牙、意大利、奧地利、俄國和韓國等。 在數(shù)顯裝置方面，國外的數(shù)顯裝置發(fā)展按照元件進步劃分，經(jīng)歷了分離原件、集成電路和微機三階段；按功能劃分可分為普通型、功能型、智能型三類。其中智能型數(shù)顯裝置可按人的意志編制程序并根據(jù)環(huán)境變化自動修正誤差，因此國外的數(shù)顯裝置發(fā)展已經(jīng)達到了一個很高的水平。

11、以德國的海德漢公司為例，其技術(shù)、品種和產(chǎn)量都領(lǐng)先于其他國家191。其產(chǎn)品利用可編程器件PLC將電路集成于控制系統(tǒng)，具有較高的穩(wěn)定性。 目前國際數(shù)顯高端產(chǎn)品市場仍由歐美及日本企業(yè)壟斷。德國海德漢壟斷高檔光柵傳感器及其測量系統(tǒng)的生產(chǎn)與銷售，2003年銷售額達7億歐元，占全世界60以上的光柵數(shù)顯產(chǎn)品市場；日本三豐公司是世界最大容柵量具量儀生產(chǎn)廠，占世界容柵量具市場50，2003年銷售額高達8億美元。32國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 中國數(shù)顯量具行業(yè)起步于20世紀80年代，經(jīng)過長時間的發(fā)展，我國量具行業(yè)已經(jīng)初步形成產(chǎn)品門類比較齊全，具有一定生產(chǎn)規(guī)模和開發(fā)能力的產(chǎn)業(yè)體系，成為全球除日本外第二大量具生產(chǎn)國。據(jù)不完

12、全統(tǒng)計，2006年我國工量具生產(chǎn)企業(yè)總數(shù)為400多家，其中以生產(chǎn)量具為主的企業(yè)約為100多家。2006年我國量刃具工業(yè)總產(chǎn)值24489億元，與2005年同比增長283；產(chǎn)品銷售收入23045億元，與2005年同比增長277。我國已迅速發(fā)展成為世界第二大的數(shù)顯量具生產(chǎn)基地。 近兩年來國內(nèi)的鍍膜、光刻和復(fù)制技術(shù)都有很大提高，制造和檢測環(huán)境都有較大改善，主要廠家都能制造3米以內(nèi)的光柵尺，準確度在正負10m的基礎(chǔ)上向正負5m提高，測量速度也由48mmin提高到了60mmin，其中信和公司lm分辨率的光柵尺能達到120mmin，并應(yīng)用在三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床中。在產(chǎn)品開發(fā)方面萊格公司也開發(fā)了鋼帶光柵尺和絕對

13、式直線光柵尺。國產(chǎn)光柵尺(玻璃透射光柵)總體指標為：柵距：40m，20m和10m；分辨率：10m，5m，Im和0.5m；最大測量長度：3m(接長可至12m)；系統(tǒng)準確度：正負10m、正負5m；測量速度：48mmin，60mmin。 在光柵數(shù)顯表的硬件方面，國內(nèi)的生產(chǎn)廠商普遍采用可編程邏輯器件(PLD)及現(xiàn)場可編程門陣YlJ(FPGA)。縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了制造成本，大大地壓縮了電路結(jié)構(gòu)，在普遍采用的表面安裝技術(shù)(SMT)的基礎(chǔ)上數(shù)顯表都做成了低功耗的單板結(jié)構(gòu)，電源幾乎都采用輸人電壓為100-240V的開關(guān)電源，機箱也采用了鑄鋁的輕型結(jié)構(gòu)，總的說來數(shù)顯表已大大地縮小了和國外產(chǎn)品的差距?，F(xiàn)在

14、光柵測量系統(tǒng)的應(yīng)用除了各種機床外已廣泛用于投影儀、影像儀、對刀儀等。 我國數(shù)顯行業(yè)初步形成了與國際一流企業(yè)競爭的基本條件，進入了良性循環(huán)的態(tài)勢，加之國際數(shù)顯市場良好的前景，不難預(yù)見，在未來五年，我國整個數(shù)顯行業(yè)將步入發(fā)展的快行道4 幾種光柵干涉測位移方法4.1 雙波長單光柵干涉 單光柵位移測量系統(tǒng)雖然測量分辨率很高，但測量精度尚未達到理想的納米級水平。雙波長單光柵位移測量實質(zhì)是將單光柵衍射理論與雙頻外差干涉理論相結(jié)合，利用各自的光學(xué)優(yōu)點，再配合外差干涉信號處理方法，從而構(gòu)造大量程納米級精度的位移測量系統(tǒng)。由光的疊加與干涉理論知道，兩個同向振動但頻率相近的光波合成時將形成拍，其頻率之差為拍頻，拍

15、頻實際上是單位觀測時間內(nèi)合光強強度變化的次數(shù)。 4.1.1 主要特點：（1）由于光柵位移測量量程取決于所采用光柵的長度，這里采用價格適中的低線數(shù)長光柵，可實現(xiàn)大量程的測量范圍。同時，系統(tǒng)的光學(xué)細分倍數(shù)為2m，當采用較高的衍射級次進行測量時，光學(xué)細分倍數(shù)一般可超過20 倍。（2）由理論推導(dǎo)可知，雙波長單光柵式干涉測量方法的測量基準是光柵柵距d，而不是光波波長。（3）采用雙波長激光作光源，僅僅是給干涉條紋隨位移（或時間）的變化引入一個載波，使普通單光柵干涉測量的直流信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p波長單光柵式干涉測量的交流信號系統(tǒng)，從而大大增強系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，并具有對光強波動不敏感、響應(yīng)速度快、信噪比高

16、和交流放大器具有高增益等優(yōu)點，易于實現(xiàn)高精度測量。（4）當兩束存在頻差的激光經(jīng)過光柵衍射后進行干涉時，將會產(chǎn)生光學(xué)拍現(xiàn)象，即外差信號。4.2 雙波長集成光柵干涉位移檢測原理 雙波長集成光柵干涉位移的檢測原理如圖l所示。兩束不同波長的平行相干光束透過玻璃基底照射到光柵上，其中一部分透過光柵之間的間隙照射到可動部件底面的反射面反射回來透過光柵間隙形成第二束衍射光束，兩束光束各自發(fā)生干涉。另一部分被光柵條底面直接反射形成一束衍射光束。因此，對于某個波長的某個級次的兩束衍射光之間存在4nd的相移。因不同波長的光有不同的衍射角，故不同波長的衍射光能形成分開的光斑，可分別測量。 研究了雙波長集成光柵干涉微

17、位移檢測方法，在合適的初始間隙的情況下，通過交替切換利用兩種波長中靈敏度較大的輸出信號，實現(xiàn)了遠大于單波長干涉的測量范圍，同時，可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)絕對位置測量。利用硅玻璃鍵合體硅工藝制作的集成光柵敏感芯片，通過靜電驅(qū)動使敏感芯片的可動部件產(chǎn)生位移，利用雙波長干涉，測得芯片可動部件與光柵間的起始間隙為7522肛m，實現(xiàn)了可動部件約為1659m的位移測量。在間隙從7522m到6904m區(qū)間618 nm的位移測量范圍，其最大噪聲等效位移為02 nm。實驗結(jié)果表明利用雙波長集成光柵干涉測量法使集成光柵位移測量量程得到了擴展，并實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的絕對位置測量。4.3 基于2次莫爾條紋的光柵納米測量系統(tǒng)

18、 采用2次莫爾條紋法也能夠?qū)崿F(xiàn)高倍數(shù)的莫爾條紋光學(xué)細分，其光路結(jié)構(gòu)如圖3所示，光柵尺與指示光柵形成兩路莫爾條紋，其中一路莫爾條紋經(jīng)過透鏡轉(zhuǎn)向后與另一路莫爾條紋通過棱鏡轉(zhuǎn)向形成2次莫爾條紋。透鏡的作用是將1次莫爾條紋信號縮小，以便兩組1次莫爾條紋干涉形成具有更好放大作用的2次莫爾條紋。這種方法通過2次莫爾條紋可以實現(xiàn)高倍數(shù)的光學(xué)細分，再配合高倍電子細分，其光學(xué)分辨率和精度理論上可以達到納米級水平。但是要實現(xiàn)1次莫爾條紋相交干涉產(chǎn)生橫向2次莫爾條紋，必須滿足兩個條件：(1)兩組1次莫爾條紋必須為橫向莫爾條紋，并為明暗相間的直線簇；(2)兩組1次莫爾條紋的移動方向必須相反。因此，為了產(chǎn)生高質(zhì)量的2次

19、莫爾條紋，首先必須產(chǎn)生高質(zhì)量的1次莫爾條紋，這就要求兩對光柵付的加工精度非常高，同時對系統(tǒng)的安裝調(diào)試精度要求也較高，需要設(shè)計相應(yīng)的精密調(diào)整機構(gòu)。3 結(jié)論與展望以上介紹的幾種光柵干涉位移測量方法，其中雙光柵干涉系統(tǒng)由于要求高線數(shù)的標尺光柵，其量程不可能太大；2次莫爾條紋干涉方法的理論分辨力和精度都能達到納米水平，但量程由于其光路對稱結(jié)構(gòu)的要求而受到很大限制，并且要得到好的結(jié)果，必須很高的加工精度和安裝精度來形成高質(zhì)量的1次莫爾條紋；單光柵測量系統(tǒng)盡管量程與分辨力都能達到理想要求，但是精度上沒有得到很好的實現(xiàn)；雙波長單光柵式納米級位移測量系統(tǒng)不僅繼承了單光柵系統(tǒng)的優(yōu)點，而且通過引進雙頻載波大大增強系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，再配合經(jīng)典的外差相位細分方法，使系統(tǒng)達到了納米精度要求。在今后相當長一段時間內(nèi)，光柵干涉位移測量技術(shù)仍將是人們研究的熱點，同時該領(lǐng)域也仍然存在諸多要深入探索的問題：(1)研究新的原理方法，包括新的光柵測量原理，新的適合納米測量的莫爾