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光栅应用技术的新进展
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2016-01-29

以光栅作为传感元件,将线位移或角位移转换为相应变化的电子分度表征是光栅应用技术的主要特点。随着光栅制造1_艺水平的提高.特别是近年来光栅信号的数显处理技术的飞速发展,使得光栅测量技术在量程、精度、系统稳定性、性能/价格比方面都取得了实质性的进展,因而已成为几何量及位移测量领域最有前途的方法之一

光栅技术的测量原理

光栅测量系统一般由光栅传感器和信号处理单元组成,其示意图如图1所示:

两重叠光栅(主、指示光栅)在相干光源的照射下,将形成莫尔条纹。光电元件接收莫尔条纹信号并经过转换后形成两个相互正交的正弦或方波电压信号Ul和U2,这两个电压即成为数显处理的基础信号光栅传感器的形式有图2所示两种:

图2(a)所示为长光栅传感器;图2(b)所示为园光栅传感器。每一种根据输出电信号型式不同分为:方波型及正弦型。方波型的信号处理方法是通过将一个信号周期的四个边沿作为计数脉冲,实现对光栅栅距四倍细分。正弦型的实用信号处理方法有两种,原理框图如图3所示:

图3(a)所示的方法是用集成的电阻网络,通过失量附加相移从两个正弦信号中产生附加的相位移信号,它们转换成方波并经过异或门后,输出信号Ual和Ua2的频率为传感器输出信号频率的N0倍·再将Ual和Ua2的一个信号周期的四个脉冲沿作为计数脉冲计数,达到对光栅栅距4N0倍分度。图3(b)所示的方法是通过数字量化电路将传感器输出信号Ul和U2数字化后送给微处理单元,计算被测点在其所处的信号周期的位置,同时Ul和U2变成方波后被计光栅传感器移动时信号变化的周期个数,二者所代表的位移之和即为传感器测量的位移值。

进展

机械加工的自动化、对加工精度要求的日趋提高,迫切需要在线测量技术和精密自动计量技术的发展。与其它位移测量系统相比,光栅测量系统具有大量程、高精度、稳定性好、较强的信息传输功能和性能/价格比,而广泛地应用于各种加工设备和计量仪器中。近几年来光栅技术在国内外的发展十分迅速,处于国际领先地位的德国HE压DENHAIN公司的实用长光栅测量系统的分辨率最高为0.01um,量程达1500mm,精度达士lum(量程为1500mm时);CERTO长度计的最高精度达土0.1um(60mm量程),分辨率达到0.01um;实用园光栅测量系统的分辨率最高达0.035",精度达到士0.2"。国内生产的实用长光栅测量系统的分辨率最高为0.1um,精度最高为士2um(量程为l000mm时);实用园光栅测量系统的分辨率最高为0.36",精度最高为士1”。值得注意的是,这些光栅测量系统在性能指标方面的进展,无一不是基于正弦型光栅传感器取得的。提高光栅测量系统性能的方法主要有三个方面:

(l)提高光栅的线对数和精度;

(2)传感器机械件加工精度的提高;

(3)选择最佳的光栅传感器信号处理技术。

对前两者要求的提高受到光栅制造工艺水平及机械加工水平的限制,同时也使得产品的废品率和加工成本大幅度上升;而后者的发展,使得在现有的光栅制造工艺和机械加工水平的前提下,能充分挖掘传感器本身的潜力,提高测量系统的性能。一般地讲,正弦型与方波型传感器在机械结构及传感器组装成本上并无多大差别,但方波型光栅传感器只能实现四细分,相反正弦型光栅传感器的输出特点使得对其进行高细分解算成为可能,通过先进的数显处理技术,可使同样线对数的正弦型光栅测量系统在精度和分辨率指标方面远远超过方波型系统。目前光栅应用技术的实质性进展已充分说明了这一点。基于对正弦型光栅传感器信号特点的研究并通过多年的努力,我公司在数显处理技术方面取得了很大的进展,并据此成批量组成H/HM系列精密长度计和A系列精密角度测量仪投放市场。

其最高系统性能分别达到:

1.精密长度计的量程可达I00mm,分辨率达0.01um,精度达士0.2um。

2.精密测角仪的分辨率达到0.1",精度达到士0.5".

摘自:中国计量测控网


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