光柵測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量誤差分析與研究

摘 要：本文介紹了光柵測(cè)長(zhǎng)儀的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理及光柵測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量誤差進(jìn)行了研究和分析，對(duì)研究光柵測(cè)長(zhǎng)儀的長(zhǎng)度測(cè)量有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：光柵測(cè)長(zhǎng)儀 測(cè)量誤差 分析 研究

1、概述

自本世紀(jì)五十年代初光柵技術(shù)引入長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域以來(lái)，由于光柵式測(cè)量系統(tǒng)具有的許多優(yōu)點(diǎn)，所以目前在線值測(cè)量、角分量測(cè)量、位移量同步比較測(cè)量以及機(jī)床數(shù)控等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，具有很高的實(shí)用價(jià)值。計(jì)量光柵技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)數(shù)字顯示、自動(dòng)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)試及微機(jī)控制等技術(shù)的發(fā)展。

誤差是計(jì)量測(cè)試和儀器制造領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。由于它能夠在成本增加較少的情況下大幅度地提高測(cè)量精度，所以受到了廣泛的重視。特別是在加工精度越來(lái)越高的今天，誤差分離與修正技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的常用方法。

2、光柵測(cè)長(zhǎng)儀結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

光柵測(cè)長(zhǎng)儀主要由光柵尺、控制板、光柵數(shù)顯表、導(dǎo)軌、滑塊、剛帶、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光柵信號(hào)輸出線、基座和工作臺(tái)組成。光柵測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量原理圖如圖1所述，光源發(fā)出的光照射到標(biāo)尺光柵上，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵相對(duì)平行移動(dòng)時(shí)，在四個(gè)光電元件上產(chǎn)生彼此相差90°的四路信號(hào)。四路信號(hào)兩兩相減，消除信號(hào)中的直流電平，得到兩路相位差為90°的正弦信號(hào)，然后將它們送入數(shù)顯表的電子細(xì)分和辨向電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。信號(hào)電纜送入光柵數(shù)顯表進(jìn)行放大、整型、細(xì)分、辨向、方位辨識(shí)、計(jì)數(shù)譯碼，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。

圖1 光柵測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量原理圖

3、光柵測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量誤差分析

光柵系統(tǒng)為測(cè)長(zhǎng)儀的標(biāo)準(zhǔn)量部分，由于其本身及測(cè)量機(jī)機(jī)體、導(dǎo)軌系統(tǒng)、剛帶、控制系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)誤差源的綜合影響，光柵系統(tǒng)的讀數(shù)誤差反映測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)誤差，此項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差也是本文研究的重點(diǎn)。

莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響，個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對(duì)莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測(cè)量精度。雖然莫爾條紋對(duì)刻劃誤差具有均化作用，但是，光柵測(cè)量系統(tǒng)仍存在一些測(cè)量誤差，主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 標(biāo)尺光柵誤差

標(biāo)尺光柵誤差主要包括兩方面，即柵距誤差和刻劃時(shí)的均勻性誤差。莫爾條紋對(duì)光柵柵距誤差具有平均效應(yīng)，因而柵距誤差可以忽略。均勻性誤差是指光柵元件各部分透光量不均勻所造成的分度誤差，如果整形電路采用過(guò)零觸發(fā)，則當(dāng)柵線質(zhì)量和尺面質(zhì)量不好而使信號(hào)直流電平有變化時(shí)，由此引起的分度誤差。

3.2 光柵副誤差

光柵副誤差主要包括四方面，即光柵副間隙 帶來(lái)的誤差、光柵副刻線夾角偏差 引起的誤差、 偏轉(zhuǎn)與 偏轉(zhuǎn)對(duì)信號(hào)的影響、 平移對(duì)信號(hào)的影響。

光柵副的間隙誤差 的存在，將會(huì)引起信號(hào)調(diào)制度的變化和直流電平的相對(duì)變化，從而給光柵系統(tǒng)的測(cè)量帶來(lái)誤差。

光柵副刻線之間的夾角偏差 ，也會(huì)引起信號(hào)調(diào)制度的變化，而且，它還會(huì)引起信號(hào)正交性的變化，從而給光柵測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)誤差。

若 偏轉(zhuǎn)軸x與通過(guò)某相光闌中心的光軸垂直相交于一點(diǎn)，則運(yùn)動(dòng)光柵偏轉(zhuǎn) 后，此相光闌前方的光柵平均間隙等于偏轉(zhuǎn)前的原始間隙，若偏轉(zhuǎn)軸x與偏轉(zhuǎn)軸y不交于一點(diǎn)，從而引發(fā)平均間隙的變化。

平移對(duì)信號(hào)的影響， 使橫向莫爾條紋在y方向平移，直接引起 的測(cè)量誤差。

3.3 電子系統(tǒng)誤差

光柵電子系統(tǒng)是光柵量?jī)x的重要組成部分，它決定了系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)精度，這部分誤差主要有細(xì)分誤差、電路穩(wěn)定性及可靠性誤差兩項(xiàng)，其中電路穩(wěn)定性及可靠性的誤差是隨機(jī)的，可通過(guò)多次測(cè)量的平均來(lái)克服或減小。細(xì)分誤差為電子系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵。以細(xì)分電路是采用移相電阻鏈細(xì)分方法實(shí)現(xiàn)的光柵量?jī)x為例，其送入乘法器的原始信號(hào)的正弦、余弦信號(hào)的質(zhì)量，即含有殘余直流電平，高次諧波對(duì)稱性、正交性等都會(huì)影響相位差，從而帶來(lái)細(xì)分誤差。

3.4 溫度誤差

隨著現(xiàn)代測(cè)量的精度要求越來(lái)越高，溫度誤差在測(cè)量總誤差中的比重越來(lái)越大，對(duì)溫度誤差的測(cè)量越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在光柵測(cè)量系統(tǒng)中，溫度誤差主要包括光柵尺的溫度變形誤差光柵尺線膨脹系數(shù)誤差測(cè)溫誤差溫度場(chǎng)不均勻誤差。在一定的測(cè)量條件下，光柵測(cè)量系統(tǒng)的溫度誤差主要表現(xiàn)為第一項(xiàng)，即光柵尺的溫度變形誤差。

4、總結(jié)

計(jì)量光柵是一種利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行長(zhǎng)度和角度測(cè)量的傳感器，作為一種將機(jī)械位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電信號(hào)的手段，光柵位移測(cè)量技術(shù)在長(zhǎng)度與角度的數(shù)字化測(cè)量、儀器儀表、計(jì)量技術(shù)、數(shù)控機(jī)床、應(yīng)力分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、測(cè)長(zhǎng)儀和程控機(jī)床等。然而這些系統(tǒng)都是在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行測(cè)量或加工的與測(cè)量誤差的評(píng)定與分析有很大的關(guān)系。這也是誤差修正及動(dòng)態(tài)精度理論研究的基礎(chǔ)性和探索性工作。該方向的內(nèi)容涉及的面廣而且深，由于時(shí)間及能力的有限，還有很多工作需要進(jìn)一步深入研究。

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作者簡(jiǎn)介：

冀紅，性別：女，出生年月：1968年11月20日，職稱：工程師，工作單位：沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，研究方向：測(cè)繪儀器、光學(xué)儀器、驗(yàn)光設(shè)備。