光柵式位移測(cè)量技術(shù)文獻(xiàn)綜述

1、學(xué)校代碼：10128學(xué) 號(hào)：科研訓(xùn)練論文（文獻(xiàn)綜述）（題目:光柵式位移測(cè)量技術(shù)綜述學(xué)生姓名:學(xué)院:機(jī)械學(xué)院系別:測(cè)控系專業(yè):測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí):測(cè)控指導(dǎo)教師：2014年6月23日光柵式位移測(cè)量技術(shù)綜述摘 要：光柵式位移測(cè)量技術(shù)具有其他測(cè)量技術(shù)不具備的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，基于干涉的光柵技術(shù)可以 獲得比幾何莫爾術(shù)更高的測(cè)量準(zhǔn)確度、更高的分辨率,在諸如微電子、超精加工、生物工程等眾 多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本文圍繞光柵式位移測(cè)量技術(shù)的基本原理，介紹了光柵莫爾條紋位 移測(cè)量法以及光柵干涉位移測(cè)量法的原理，對(duì)幾個(gè)光柵測(cè)量系統(tǒng)：經(jīng)典雙光柵測(cè)量系統(tǒng)、非對(duì)稱 雙級(jí)閃耀光柵測(cè)量系統(tǒng)、單光柵測(cè)量系統(tǒng)、基于2次莫爾條紋的光柵

2、測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理進(jìn)行概 述，并說明了各系統(tǒng)的關(guān)鍵問題及不足之處。對(duì)介紹的測(cè)量方法進(jìn)行綜合比較之后，總結(jié)了光柵 測(cè)量的關(guān)鍵問題，并展望了光柵干涉位移測(cè)量的未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：光柵原理；干涉；莫爾條紋；位移測(cè)量；測(cè)量與計(jì)量1、引言幾何形狀是客觀世界中最廣泛最具體的物質(zhì)形態(tài)，幾何量就是表征客觀物體大 小、長短、形狀及位置的物理量。其中長度是幾何量的基本參量，長度量的精密計(jì)量 具有極為重要的意義。近代機(jī)械工業(yè)尤其是當(dāng)代超精密加工技術(shù)、微/納米技術(shù)、微 型機(jī)電系統(tǒng)等的興起與發(fā)展對(duì)長度量的測(cè)量提出了越來越高的要求。納米測(cè)量技術(shù)是解決目前和未來許多高精度、高分辨率問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是 整個(gè)納米科技領(lǐng)域

3、的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，是當(dāng)前計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域的重要課題。作為能夠?qū)崿F(xiàn)納 米級(jí)位移測(cè)量的技術(shù)之一，光柵技術(shù)具有其他傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使 其廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，隨著激光技術(shù)在精密 位移測(cè)量中的應(yīng)用，光柵式位移測(cè)量技術(shù)有了高速的發(fā)展。2、光柵式位移測(cè)量技術(shù)概述位移是工程生產(chǎn)中比較重要的物理量之一，尤其是在數(shù)控加工方面精密位移的測(cè) 量變得尤為重要。隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工程生產(chǎn)中對(duì)于位移測(cè)量的要求也 逐漸變得苛刻起來。位移測(cè)量尤其是精密位移的測(cè)量在這種環(huán)境之下急切地需要新的 理論和方法的發(fā)現(xiàn)來發(fā)展和提高自身。直到18世紀(jì)法國研究人員莫爾先生發(fā)現(xiàn)了一 種光學(xué)現(xiàn)

4、象一一莫爾條紋和19世紀(jì)初光的干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這兩項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)使得 位移測(cè)量技術(shù)的高速發(fā)展，最后導(dǎo)致了光柵式位移測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn) 使精密位移測(cè)量進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，同時(shí)也造福了全人類。2.1光柵技術(shù)的發(fā)展歷史從20世紀(jì)50年代至70年代，柵式測(cè)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(cè)量系統(tǒng)都是將一個(gè)柵距周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式 測(cè)量結(jié)合起來，測(cè)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(diǎn)，相互補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到了發(fā)展。但光柵測(cè)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(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)

5、展 最快，技術(shù)性能最高，市場(chǎng)占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。在柵式測(cè)量系統(tǒng)中，光柵的占有 率已超過80%，光柵長度測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)；測(cè)量 速度從60m/min至480m/min。測(cè)量長度從1m、3m至30m和100m。2.2光柵技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀世界上生產(chǎn)用于數(shù)控機(jī)床的光柵傳感器的主要企業(yè)有德國HEIDENHAIN、西班牙 FAGOR日本三豐（MITUTOYO）、SONY等，規(guī)模最大的、技術(shù)水平最高的是德國 HEIDENHAINo我國現(xiàn)在的光柵產(chǎn)品只能用于靜態(tài)測(cè)量，主要是手動(dòng)數(shù)顯機(jī)床，我國年產(chǎn)60萬 臺(tái)機(jī)床中有30%安裝了國產(chǎn)光柵測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)在還沒有用于數(shù)控機(jī)床的鋼帶光柵尺，

6、也沒有絕對(duì)式光柵尺?？梢哉f，我國光柵傳感器和國外一些知名光柵傳感器制造商如 德國HAIDENHAIN等的差距至少在20年以上。所以我國的光柵技術(shù)的研究和發(fā)展需要 努力地提高，以縮小與國外科學(xué)技術(shù)的差距。3、光柵位移測(cè)量原理及幾種測(cè)量系統(tǒng)說明3.1光柵式位移測(cè)量技術(shù)原理光柵莫爾條紋法是以光柵的柵線間距作為測(cè)量基準(zhǔn)，其由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電 探測(cè)器及信號(hào)處理電路組成。其中，標(biāo)尺光柵與基座相連接；光源、指示光柵、光電探測(cè)器及前 置處理電路通常被集成在一起，作為讀數(shù)頭與運(yùn)動(dòng)部件相連接，運(yùn)動(dòng)方向沿著標(biāo)尺光柵工作面的 方向，且與標(biāo)尺光柵柵線方向垂直。在該裝置中，標(biāo)尺光柵與指示光柵的柵線間距是相等

7、的，兩 光柵相互平行，柵線方向的交角為a。當(dāng)光源發(fā)出的光線垂直入射到標(biāo)尺光柵上時(shí)，由于光柵 柵線的遮擋，光線被調(diào)制成了與柵線間距等寬的條紋，被調(diào)制后的光線再經(jīng)過指示光柵的調(diào)制則 會(huì)在指示光柵的另一側(cè)形成與運(yùn)動(dòng)方向成a/2角度的條紋，該條紋即莫爾條紋。設(shè)柵線間距為D, 則莫爾條紋的寬度為：2 sin當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵線間距，則莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)周期，由式3.1）可知，若a較小 時(shí)，W D，則該方法對(duì)被測(cè)位移具有很強(qiáng)的放大作用，從而可以提高位移測(cè)量的分辨率。光柵 莫爾條紋法的優(yōu)點(diǎn)是在保證較高測(cè)量精度的情況下獲得很大的測(cè)量范圍，例如德國 HEIDENHAIN公司開發(fā)的封閉式系列光柵尺可在30

8、m的測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到0.01mm的測(cè)量精度。 另外，其安裝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，因此常被應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床刀具的定位與工廠自動(dòng)化的 在線測(cè)量等方面。但是，由于光的衍射效應(yīng)的存在，光柵的柵線距離不能太小，從而限制了其分 辨率的進(jìn)一步提高。光柵干涉位移測(cè)量技術(shù)是光柵衍射與激光干涉相結(jié)合的一種技術(shù)。從表面上看，光柵干涉位 移傳感器與光柵莫爾條紋位移傳感器十分類似，但是，在原理上有著本質(zhì)的區(qū)別，光柵莫爾條紋 位移傳感器利用的是光的幾何特性，光柵干涉位移傳感器利用的是光的波動(dòng)特性。目前，光柵干 涉位移傳感器發(fā)展出了多種結(jié)構(gòu)形式，其中海德漢公司的LIP系列光柵尺是其中最典型的代表。 在這種光柵尺中，階梯狀光

9、柵作為測(cè)量基準(zhǔn)，階梯狀光柵的前面是掃描掩膜，其柵距與階梯狀光 柵的柵距相同，它是透射式相位光柵。光束穿過掃描掩膜時(shí)被衍射為光強(qiáng)均等的1、0、+1三束 光，這三束光到達(dá)階梯狀光柵后又分別被衍射，之后再次被掃描掩膜衍射，最后由透鏡匯聚，產(chǎn) 生三個(gè)較強(qiáng)的干涉場(chǎng)。當(dāng)階梯狀光柵與掃描掩膜發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，干涉場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)的變化， 用光電探測(cè)器探測(cè)干涉場(chǎng)強(qiáng)度的變化，經(jīng)過電路的處理即可得到相對(duì)的移動(dòng)量。3.2經(jīng)典雙光柵位移測(cè)量技術(shù)雙光柵測(cè)量技術(shù)最早是由德國HEIDENHAIN公司推出的，當(dāng)時(shí)代表了國際上光 柵位移測(cè)量技術(shù)的最高水平，測(cè)量分辨率可以穩(wěn)定地達(dá)到1nm。這種方式構(gòu)成的系統(tǒng) 主要采用了兩根高線數(shù)的光

10、柵，一根長度較短的集成在讀數(shù)頭中，稱之為參考光柵， 另外一根較長的光柵單獨(dú)封裝，它的長度決定了測(cè)試量程范圍，稱之為標(biāo)尺光柵。此 經(jīng)典系統(tǒng)使用光柵常數(shù)比為2的兩根高線數(shù)光柵，由獨(dú)特的雙光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)4 細(xì)分，使光學(xué)位移分辨率達(dá)到標(biāo)尺光柵柵距的1/4，加上高倍電子細(xì)分，使最終的 位移分辨率達(dá)到lnm，其測(cè)量范等于標(biāo)尺光柵的長度。但是該系統(tǒng)在位移測(cè)量時(shí)也存在幾個(gè)問題：（1）為獲取莫爾條紋的高對(duì)比度，第2 個(gè)光柵必須位于第1個(gè)光柵的Talbot平面內(nèi)，且兩光柵的間隙安裝誤差必須小于 Talbot周期的10%； （2）測(cè)量范圍取決于標(biāo)尺光柵的長度，測(cè)量分辨率取決于標(biāo)尺光 柵的柵距，由于受較長的高線數(shù)

11、光柵制作工藝的限制，經(jīng)濟(jì)成本高，進(jìn)一步推廣應(yīng)用 的難度較大等。3.3非對(duì)稱雙級(jí)閃耀光柵測(cè)量系統(tǒng)為了解決大量程測(cè)量中靈敏度的問題，科學(xué)家提出了非對(duì)稱雙級(jí)閃耀光柵位移測(cè)量的方法， 實(shí)質(zhì)是用雙級(jí)閃耀參考光柵來實(shí)現(xiàn)莫爾條紋倍增。該系統(tǒng)利用粗細(xì)兩根閃耀光柵組成位移測(cè)量結(jié) 構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于粗光柵柵距口倍的條紋倍增。這種測(cè)量方法的條紋靈敏度等于細(xì)光柵的柵距， 而量程由粗光柵的長度決定，很好地解決了高線數(shù)光柵不能做得太長所帶來的問題，在不降低測(cè) 量分辨率的條件下可實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)量。但是該系統(tǒng)也存在一些問題：非對(duì)稱雙級(jí)衍射光的產(chǎn)生， 要求光束的入射角必須在一定的偏差范圍內(nèi)，因此光路調(diào)整困難；受光柵制作技術(shù)的限制

12、，光柵 閃耀角難以精確控制，當(dāng)閃耀光柵線數(shù)增加時(shí)，非對(duì)稱雙級(jí)衍射光的強(qiáng)度相差較大，影響條紋對(duì) 比度，因此，實(shí)用的非對(duì)稱雙級(jí)閃耀光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)分辨率受到限制；此外，細(xì)光柵之 間的距離調(diào)整直接影響莫爾條紋的有無，因此對(duì)安裝要求苛刻。3.4單光柵位移測(cè)量技術(shù)單光柵位移測(cè)量是利用單根大長度計(jì)量光柵，合理選取光束入射角，借助光柵的 兩束任意高級(jí)次衍射光形成莫爾干涉條紋，進(jìn)而構(gòu)成具有高光學(xué)倍頻數(shù)的光路系統(tǒng)。 雖然理論上可以使用任意高級(jí)次衍射光，但由于衍射光功率隨衍射級(jí)次的增加迅速減 小，光源的選取必須滿足系統(tǒng)信噪比要求。單光柵測(cè)量系統(tǒng)盡管量程與分辨力都能達(dá) 到理想要求，但是精度上沒有得到很好的實(shí)現(xiàn)

13、。4、總結(jié)以上介紹的光柵位移測(cè)量原理中光柵莫爾條紋法發(fā)展比較早也比較成熟而廣泛 應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于光的衍射效應(yīng)的影響，光柵的柵線距離不能太小，從而 限制了其分辨率的進(jìn)一步提高。而光柵干涉法雖然起步比較晚，但是，因其具有的高 分辨率、大量程、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)秀特性而廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中；幾種光柵干涉 位移測(cè)量方法，其中雙光柵干涉系統(tǒng)由于要求高線數(shù)的標(biāo)尺光柵，其量程不可能太大； 非對(duì)稱雙級(jí)閃耀光柵測(cè)量方法由于對(duì)安裝定位特殊要求，使用條件非?？量?在未來， 光柵位移測(cè)量技術(shù)仍將是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)問題，也必定能隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展而迅速壯大。同時(shí)該領(lǐng)域也仍然存在諸多要深入探索的問題，如：（1）研究新的原 理方法，包括新的光柵測(cè)量原理，新的適合納米測(cè)量的莫爾條紋細(xì)分方法，以及與其 它位移測(cè)量方法相結(jié)合所產(chǎn)生的新方法等；（2）進(jìn)行誤差理論的研究分析，如光柵衍 射特性對(duì)測(cè)量分辨力和精度的影響機(jī)理，光柵制作誤差對(duì)測(cè)量精度的影響機(jī)理，溫度 等環(huán)境因素變化所引起的誤差，電子細(xì)分誤差等，并在量化分析的基礎(chǔ)上研究合適的 補(bǔ)償技術(shù)；（3）與其他科學(xué)技術(shù)的結(jié)合程度，如：CCD圖像技術(shù)