光柵副間隙動態測量設備的設計

張雪鵬，吳宏圣

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

光柵副間隙動態測量設備的設計

張雪鵬，吳宏圣

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

基于光學測量和圖像處理，設計了一種用于測量光柵尺讀數頭裝配過程中指示光柵裝配時光柵副間隙的設備。試驗測量結果表明，設備測量結果可靠，全區間測量誤差＜5%，使用區間測量誤差＜3%。為光柵副裝配中間隙測量提供了可靠的測量方法和設備。

光柵尺；光柵副；間隙測量

0 引言

在涉及精密測量的機構中，光柵尺是一種最常用的位移傳感器，特別是在位移臺和機床領域中，更是廣泛應用［1，2］。光柵尺是利用莫爾條紋原理工作的測量反饋裝置［3，4］。其結構中的一組光柵副包括標尺光柵和指示光柵，是光柵尺核心工作部件，在運行時二者需要保持特定的位置關系，指示光柵沿著標尺光柵長度方向上運動從而完成位置信息的測量。

標尺光柵和指示光柵組成的光柵副中，需要二者保持一個合適的間隙值，也就是以標尺光柵為基準，指示光柵要處于能夠使莫爾條紋清晰成像的一個小區間內，即菲涅爾焦面附近的位置。同時，考慮到光柵副工作時可能有灰塵或者金屬碎屑等污染物進入，光柵副間隙既要兼顧莫爾條紋成像清晰，又要使得間隙值盡可能的大。光柵副間隙值經過理論計算和試驗確定后，必須嚴格控制。因此，在光柵尺讀數頭裝配過程中，對指示光柵的裝配需要更加嚴格的工藝，指示光柵在裝配后必須通過特定的設備檢測裝配后的間隙值是否在理論的范圍內。

本文旨在設計一種檢測光柵副間隙的設備，通過光學測量和圖像處理的方法實現光柵副間隙的動態非接觸測量。

1 系統原理

1.1光學系統原理

該系統由模擬的標尺光柵、指示光柵、光源、準直透鏡、物鏡和CCD相機構成。

用來測量光柵副間隙的模擬標尺光柵不是光柵尺中的標尺光柵，而是帶有特定圖案的模擬標尺光柵，如圖1所示，圖案中鍍鉻區與透明區域相間排列。

測量原理如圖2所示，從光源發出的光經過準直透鏡，傾斜45°入射到模擬標尺光柵和指示光柵，其光線的一部分被玻璃的鍍膜區反射，一部分被指示光柵的鍍膜區反射，其反射光再經過物鏡，將模擬標尺光柵上的特征點和指示光柵上的對應點通過物鏡成像在CCD相機上。平行光被模擬標尺光柵鍍鉻層反射，其中鉻層邊緣a處反射光和臨界光線在b點反射光通過物鏡成像到CCD相面上時，a、b兩點之間相對臨界區域就形成了一條暗條紋，指示光柵沿著模擬標尺光柵長度方向上運動，便得到了一系列明暗相間的條紋，如圖3所示，其中暗條紋的寬度與光柵副的間隙h成正比。

圖1　模擬的標尺光柵Fig.1 Simulated metrological grating

圖2　光學測量原理Fig.2 Optical measuring principle

圖3　明暗相間的條紋Fig.3 Light and dark stripes

1.2圖像處理

在得到了一組明暗相間的條紋之后，首先要對這組圖像進行梯度計算。梯度▽f（x，y）可定義為矢量：

式中：Ix是x方向的單位向量；Iy是y方向的單位向量。梯度的幅值：

用絕對值來近似梯度幅值|▽f（x，y）|=|▽fx|+|▽fy|［5］。對圖像梯度自動閥值分割，采用Sobel算子濾波后的梯度看作一幅圖像，然后使用自動全局閾值分割的方法來判斷圖像的邊緣。

對圖像進行最小值濾波降低梯度二值圖像噪聲，經過閾值分割的梯度二值圖像會存在一些奇異點噪聲，最小值濾波是基于排序統計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術。采用最小值濾波把數字圖像中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的最小值值代替，從而消除少量的噪聲點。

最后通過圖像處理算法得到的二值化圖像，計算暗條紋寬度，采用標準化墊片對系統進行標定。

2 試驗測量

2.1設備結構和測量方法

經過裝調、標定后的設備如圖4所示，該設備有兩路相同的光學測量系統，兩系統光軸在高度方向上有一定的距離，從光源發出的光，通過棱鏡分光，分別進入到左右兩路光學系統中，測量兩個點。指示光柵沿著模擬標尺光柵滑動，從標尺光柵一側沿著標尺光柵滑動到另一側，如圖5所示，即可測量指示光柵面上上下兩條平行直線與模擬標尺光柵面的距離，測量軟件界面如圖6所示，界面上方左右兩個窗口顯示的為上述的間隙條紋，其中暗條紋寬度與光柵副的間隙成比例。界面下方左右兩個數值區，可以實時地繪制出滑架從模擬標尺光柵一側運動到另一側的間隙曲線。

圖4　系統結構Fig.4 System structure

圖5　測量中Fig.5 Measuring

圖6　軟件界面Fig.6 Software interface

測量樣品為已經裝配合格的標定過的指示光柵20支，如圖7所示，圖中黑色帶軸承的為滑架體，滑架體上的玻璃即為指示光柵，標定的光柵副間隙值如表1所示。

圖7　滑架體和指示光柵Fig.7 Sliding shelf and indicative grating

在該設備上進行測試，要求指示光柵所固定的滑架上面的軸承與模擬主光柵接觸良好，指示光柵和滑架從模擬主光柵一側緩慢運動到另一側，完成測量。

2.2測量結果分析

對20個標定后的不同間隙值的裝配合格的指示光柵進行了測量，繪制出測量值與標定值曲線，如圖8所示，從圖中可以看出，兩條曲線的走勢完全相同。

測量值相對標定值的誤差曲線如圖9所示，誤差隨著間隙值的增大而接近線性增大，到序號20，即間隙值達到200μm時，最大差值仍未超過5μm。

測量值與標定值的誤差百分比如圖10所示，從圖中可以看出，除了10μm、20μm這樣間隙很小時，誤差百分比達到5%外，其它情況，誤差百分比都穩定在3%以內。而本設備常用的測量范圍50～150μm，完全達到使用要求。

表1　標定過的指示光柵間隙值Tab.1 Calibrated value of gap of indicative grating

圖8　測量值與標定值曲線Fig.8 The curves of the measured values with the calibrated values

圖9　誤差曲線Fig.9 Error curve

圖10　誤差百分比Fig.10 Error percentage

3 結論

本文基于光學測量和圖像處理的方法設計出一種光柵副動態測量設備，用于檢測光柵尺讀數頭裝配中指示光柵裝配合格定的檢測工具。通過對標定的裝配合格的指示光柵進行試驗測量，在10μm～200μm范圍內，設備測量誤差在5%以內，在經常使用的測量區間50μm～150μm范圍內，誤差＜3%，完全達到使用要求。

［1］張雪鵬，藺春波，吳宏圣.基于JC09光柵尺位移傳感器的光柵副間隙分析［J］.制造技術與機床，2014，7.

［2］孫強.高精度絕對式光柵尺研究進展及技術難點［J］.世界制造技術與裝備市場，2012，5.

［3］邱麗.光柵莫爾條紋干涉計量及其應用研究［D］.重慶：重慶大學，2009.

［4］Wang X，Dong X，Guo J，et al.Two-dimensional displacement sensing using a cross diffraction grating scheme［J］.Journal of Optics APure And Applied Optics.2004，6.

［5］李龍林.莫爾條紋特性檢測及其圖像處理［D］.重慶：重慶大學，2009.

圖13　回路優化前試驗結果

圖14　回路優化后試驗結果

4 結論

本文針對高速列車信號輸出回路失效進行了詳細分析，重點對故障的輸出三極管進行了切片和De-CAP分析得出了內部的故障點；通過故障模擬及對比分析，掌握了三極管故障的起因。

針對故障起因，提出了信號輸出回路的優化方案，并對優化前后的回路進行了試驗對比，驗證了優化方案的有效性。從而提高了信號輸出回路的可靠性，提升了列車的可用性及運營的安全性。

參考文獻：

［1］游志明.晶體三極管損壞機理分析［J］.科技信息，2009，9.

［2］雷磊，周永平，張寶華，彭煒.ESD對電子設備的危害及防護［J］.裝備環境工程，2007，4.

［3］邱關源.電路（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［4］GB/T 17626.5-2008《電磁兼容-試驗和測量技術-浪涌（沖擊）抗擾度試驗》［S］.

Design an Equipment to Dynamically Measure the Gap between Pair Gratings

ZHANG Xue-Peng，WU Hong-Sheng
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun Jilin 130033，China）

Based on optical measurement and image processing，design an equipment to measure gap of pair grating in the process of assembling grating ruler reading head.Test result shows that，measurement results of the equipment are reliable，measurement error between the range＜5%，measurement error between frequently used range＜3%.Provide reliable measuring method and equipment for measure the gap of pair gratings in the process of assembling pair gratings.

linear grating ruler；pair grating；measure gap

TH71

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.010

1002-6673（2015）02-026-03

2014-10-08

項目來源：國家重大科技專項（2013ZX04007-021）；長春市科技計劃項目（高集成化單碼道絕對式光柵尺研發-2013254）

張雪鵬（1986-），男，黑龍江人，碩士，助理研究員。研究方向：光學精密機械、已發表論文六篇，其中被EI收錄四篇；吳宏圣（1974-），男，吉林人，碩士，研究員。研究方向：自動化。已發表論文四十多篇。