光栅与编码器介绍

测量长度3m，载体为玻璃。

2.有准单场扫描的影像测量原理（反射法）

　 反射标尺光栅是采用40μm栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用二个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，这样一来，一个扫描场就可以产生相移为四分之一栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影象测量原理。由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金属反射光栅就是采用这一原理。LIDA系列开式光栅其栅距为40μm和20μm，测量步距0.1μm，准确度有±5μm、±3μm，测量长度可达30m，最大速度480m/min。LB系列闭式光栅栅距都是40μm，最大速度可达120m/min。

3.单场扫描的干涉测量原理

　 对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1和-1级组干涉条纹是基波条纹，基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。光调制产生3个相位相差120°的测量信号，由3个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差90°的正弦信号. Heidenhain LF、LIP、LIF系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微米和纳米级的，其中最小分辨力达到1纳米。

　 在80年代后期栅距为10μm的透射光栅LID351（分辨力为0.05μm）其间隙要求就比较严格为（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉测量原理对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽（表1所示）。只有衍射光栅LIP372的栅距是0.512μm，经光学倍频后信号周期为0.128μm，其他栅距均为8μm和4μm，经光学二倍频后得到的信号周期为4μm和2μm，其分辨力为5nm和50nm，系统准确度为±0.5μm和±1μm，速度为30m/min。LIF系列栅距是8μm，分辨力0.1μm，准确度±1μm，速度为72m/min。其载体为温度系数近于0的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃。衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8μm，信号周期为4μm，测量分辨力0.1μm，系统准确度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，测量长度达到3m，载体采用钢尺和钢膨胀系数（10ppm/K）一样的玻璃。

四、光栅测量系统的几个关键问题

1.测量准确度（精度）

光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量（栅线边沿清晰至关重要），其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。

光栅尺的准确度（精度）用准确度等级表示，Heidenhain定义为：在任意1m测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值Fmax均落在±α（μm）之内，则±α为准确度等级。Heidenhain准确度等级划分为：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可见Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的一个要求，现在还没有见到其他生产厂家能够达到这一水平。

现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20μm和40μm，对衍射光栅栅距采用4μm和8μm，（1nm光栅除外）光学二倍频后信号周期为2μm和4μm。Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±1%，闭式光栅仅为±2%，光栅信号周期及位置偏差见表1。

表2 光栅信号周期及位置偏差

光栅类别－信号周期(μm)－一个信号周期内的位置偏差(μm)

几何光栅－20和40－开启式光栅尺±1%，即±0.2～±0.4；封闭式光栅尺±2%，即±0.4～±0.8

衍射光栅－2和4－开启式光栅尺±1%，即±0.02～±0.04；封闭式光栅尺±2%，即±0.02～±0.08

2.信号的处理及栅距的细分

光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距的一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量。为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数（倍频数）和测量分辨力（测量步距）。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要校对读数头中的光