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什么是光柵技術?發布時間:2013-01-31

(濟南開思研發中心整理)

       從20世紀50年代至70年代,柵式測量系統從感應同步器發展到光柵、磁柵、容柵和球柵,這5種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來,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)標尺。它們有各自的優點,相互補充,在競爭中都得到了發展。但光柵測量系統的綜合技術性能優于其它4種,而且其制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低,因此光柵發展最快,技術性能最高,市場占有率最高,產業最大。在柵式測量系統中,光柵的占有率已超過80%,光柵長度測量系統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。

光柵測量技術的發展

計量光柵技術的基礎——莫爾條紋(Moire fringes)是由英國物理學家L Rayleigh首先提出的。到20世紀50年代才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年,德國Heidenhain首創DIADUR復制工藝,即在玻璃基板上蒸發鍍鉻的光刻復制工藝,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,并進入商品市場。1953年,英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統,可以在一個莫爾條紋周期實現4倍頻細分,并能鑒別移動方向,這就是4倍頻鑒相技術,是光柵測量系統的基礎,并一直應用至今。? 60年代初,德國Heidenhain公司開始開發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/轉的圓光柵測量系統,可實現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記(零位)的基礎上增加了距離編碼。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雙向串行快速連續接口,使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便地應用于測量系統。現在光柵測量系統已十分完善,應用的領域很廣,全世界光柵直線傳感器的年產量在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公司的產品銷售額中,直線光柵編碼器約占40%,圓光柵編碼器占30%,數顯、數控及倍頻器占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)。國外企業的人均產值在10~15萬美元左右,研究開發人員約占雇員的10%,產品研發經費約占銷售額的15%。

當今采用的光電掃描原理及其產品系列

根據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,遠大于光源光波波長,衍射現象可以忽略,當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現象形成莫爾條紋,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,則產生衍射和干涉現象形成莫爾條紋,其測量原理稱干涉原理。現將德國Heidenhain公司產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)

采用垂直入射光學系統均為4相信號系統,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系列產品均采用此原理,其柵距為20μm,測量步距為0.5μm,準確度為±10、±5、±3μm三種,最大測量長度為3m,載體為玻璃。

(2)有準單場掃描的影像測量原理(反射法)

反射標尺光柵是采用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生相移為1/4柵距的四個圖象,稱此原理為準單場掃描的影像測量原理。由于只用一個掃描場,標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量。與此同時,指示光柵和標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,準確度有±5μm、±3μm,測量長度可達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的。光調制產生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,這些系列產品都是亞微米和鈉米級的,其中最小分辨率達到1納米。   在20世紀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,例如指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度都很寬(見表1)。

 除了對光柵的刻劃質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量有一定的要求,因為這影響電子細分的精度,也就是影響光柵測量信號的細分數(倍頻數)和測量分辨率(測量步距)。柵距的細分數和準確性也影響光柵測量系統的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質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。對讀數頭中的光電轉換電路和后續的數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相聯結設計了光柵倍頻器,即將光柵傳感器輸出的正弦信號(一個周期是一個柵距)進行插補和數字化處理后給出相位相差90°的方波,其細分數(倍頻數)有5、10、25、50、100、200和400,再考慮到數控系統的4倍頻后對柵距的細分數有20、40、100、200、400、800和1600,能實現測量步距從1nm到5μm,倍頻數選擇取決于光柵信號一個柵距周期的質量。隨著倍頻數的增加,光柵傳感器的輸出頻率要下降,倍頻器的倍頻細分數和輸入頻率的關系見表3。

 表3 倍頻器的倍頻細分和輸入頻率    倍頻細分數:0-2-10-25-50-100-200-400 輸入頻率(KHz):600-500-200-100-50-25-12.5-6.25 選擇不同的倍頻數可以得到不同的測量步距。在Heidenhain的數顯表中可以設置15種之多的倍頻數,最高頻數可達1024,即1,2,4,5,10,20,40,50,64,80,100,128,200,400,1024。在微機上用的數顯卡最大倍頻數可到4096。

(3)光柵的參數標記和絕對坐標?

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記(零位)確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致,經后續電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離,Heidenhain公司設計了在測量全長內按距離編碼的參考標記,每當經過兩個參考標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絕對坐標傳感器?

為了在任何時刻測量到絕對位置,Heidenhain設計制造了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,準確度±3μm,測量長度可達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境,Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數。現有的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數為8ppm/K,現在Heidenhain已采用了具有鋼一樣膨脹系數的玻璃。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。通過對標尺載體所用材料和相應結構的選擇,使光柵尺與被測件的熱性能有最佳的匹配。



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