光栅式位移测量

光栅式位移测量
欣欣机械学院
摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。

光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。

关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉
1 引言
随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。

相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。

传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。

但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。

这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。

中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。

粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。

它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。

传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。

同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。

特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。

2 光栅式位移测量分析
2．1光栅测量原理
2．1．1光栅的分类和结构
光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。

物理光栅主要是利用光的衍
射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光
栅。

计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分
辨力。

计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指
示光栅、光电元件三大部分组成。

光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电
池。

透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间
距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。

计量光栅的结构图如图2．1所示。

2．1．2莫尔条纹
下面以透射式黑白光栅为例来分析光栅测量位移的工作原理。

把长短两块光栅重叠放置，但中间留有微小的间隙，并使两块光栅的刻
线之间有一很小的夹角p，如图2．2所示。

当有光照时，光线就从两块光栅刻
线重合处的缝隙透过，形成明亮的条纹，如图2．2中的a-a所示。

在两块光栅
刻线错开的地方，光线被遮住而不能透过，于是就形成暗的条纹，如图2．2中
的b-b所示。

这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹，其方向与光栅刻线近似垂
直，相邻两明亮条纹之间的距离BH称为莫尔条纹间距。

2．1．3光栅测量位移的工作原理
若标尺光栅和指示光栅的刻线密度相同，即光栅栅距d相等，则莫尔条纹
的间距见式(2-1)。

由于口角很小，故莫尔条纹间距粕远大于光栅栅距d，即莫尔条纹具有放
大作用。

测量时，把标尺光栅与被测量对象相联结，使之随其一起运动。

当标尺光栅沿着垂至于刻线的方向相对于指示光栅移动时，莫尔条纹就沿着近似垂直于
光栅移动的方向运动。

当光栅移动一个栅距d时，莫尔条纹也相应地欲动一个
莫尔条纹间距粕。

因此，可以通过莫尔条纹的移动来测量光栅移动的大小和
方向。

对于一个固定的观测点，其光强随莫尔条纹的移动，亦即随光栅的移动按近似余弦的规律变化，光栅每移动一个栅距，光强变化一个周期。

如果在该观
测点放置一个光电元件(一般用硅光电池、光敏二极管或三极管)，就可把光
强信号转变成按同一规律变化的电信号，即由公式(2．2)所示。

可以看出，在莫尔条纹间距BH的1／4，3／4处信号变化斜率最大，灵敏度最高，
故通常都以这些点作为观测点。

通过整形电路，把正弦信号转变成方波脉冲信号，每经过一个周期输出一
个方波脉冲，这样脉冲数Ⅳ就与光栅移动过的栅距数相对应，因而位移
X=Nd。

2．2辨向电路
对于一个固定的观测点，不论光栅向哪个方向运动，光照强度都只是作明
暗交替变化，光敏元件总是输出同一规律的变化的电信号，因此仅依该信号是无法判别光栅移动的方向的。

为了辨别方向，通常在相距B／4的位置安放两个
光敏元件l和2，如图2．3所示，从而获得相位相差为900的两个币弦信号。

然
后把这两个电压信号U1和U2输入到图24所示的辨向电路进行处理。

当标尺光栅向左移动，莫尔条纹向上移动时，光敏元件l和2分别输出图2-5(a)所示的电压信号Ul和U2，经放大整形后得到相位相差90度的两个方波信号经反相后得到U”1方波。

和u”1和u’1经RC微分电路后得到两组光脉冲信号U ‘1w和U”1w，分别输入到与门YI和Y2的输入端。

对与门Y1，由于U’1w处于高电平时，u'2总是低电平，故脉冲被阻塞，YI无输出；对与门Y2，U ”1w处于高电平，u'2也正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置”l”，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。

同理，当标尺光栅反向移动时，输出信号波形如图2．5(b)，与门Y2阻塞，Yl输出脉冲信号使触发器置”0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进
行减法计数。

这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数即代表光栅位移X
3 发展现状
3．1国外相关技术发展现状
光栅位移测量起源于20世纪50年代，1953年英国Ferranti公司的爱丁堡实验室建立了第1个利用莫尔条纹系统测量位移的工作样机。

1954年，GUILD在其著作“The interference system of crossed diffractiongratings”中首次提出莫尔干涉的思想。

1967年，POST首次根据GUILD提出的原理，把1块粗光栅和1块细光栅组合到一起，通过合理地选择衍射光的级次，实现了条纹倍增，得到了相当于采用2001ine／mm光栅的测量灵敏度。

20世纪80年代初期，POST等人用Lloyd反射镜和光栅构造了一个简单的莫尔干涉系统，实现了相当于采用40001ine／mm光栅的灵敏度，这才使莫尔干涉位移测量真正走上了实用的阶段【1】。

从20世纪70年代以来，数显量具随着微电子、激光技术、传感技术、计
算机等前沿技术的迅猛发展而迅速发展起来，并逐步开始替代传统机械量具，
同时由于光刻、复制技术和微电子技术的发展，使光栅测量系统生产成本大大
下降，可靠性增高，测量长度和精度也得到迅速提高，因此国外在70年代光
栅测量系统就用于数显和数控机床，从当初占机床测量系统的10％发展到今天
占到80％17J。

目前全世界能制造光栅测量系统的国家有德国、日本、英国、西
班牙、意大利、奥地利、俄国和韩国等。

在数显装置方面，国外的数显装置发展按照元件进步划分，经历了分离原件、集成电路和微机三阶段；按功能划分可分为普通型、功能型、智能型三类。

其中智能型数显装置可按人的意志编制程序并根据环境变化自动修正误差，因此国外的数显装置发展已经达到了一个很高的水平。

以德国的海德汉公司为例，其技术、品种和产量都领先于其他国家191。

其产品利用可编程器件PLC将电路集成于控制系统，具有较高的稳定性。

目前国际数显高端产品市场仍由欧美及日本企业垄断。

德国海德汉垄断高
档光栅传感器及其测量系统的生产与销售，2003年销售额达7亿欧元，占全世
界60％以上的光栅数显产品市场；日本三丰公司是世界最大容栅量具量仪生产厂，占世界容栅量具市场50％，2003年销售额高达8亿美元。

3．2国内相关技术发展现状
中国数显量具行业起步于20世纪80年代，经过长时间的发展，我国量具
行业已经初步形成产品门类比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体
系，成为全球除日本外第二大量具生产国。

据不完全统计，2006年我国工量具
生产企业总数为400多家，其中以生产量具为主的企业约为100多家。

2006年
我国量刃具工业总产值244．89亿元，与2005年同比增长28．3％；产品销售收入230．45亿元，与2005年同比增长27．7％。

我国已迅速发展成为世界第二大的数显量具生产基地。

近两年来国内的镀膜、光刻和复制技术都有很大提高，制造和检测环境都
有较大改善，主要厂家都能制造3米以内的光栅尺，准确度在正负10μm的基础上向正负5μm提高，测量速度也由48m／min提高到了60m／min，其中信和公司l μm分辨率的光栅尺能达到120m／min，并应用在三轴联动的数控铣床中。

在产品开发方面莱格公司也开发了钢带光栅尺和绝对式直线光栅尺。

国产光栅尺(玻璃透射光栅)总体指标为：栅距：40μm，20μm和10μm；分辨率：
10μm，5μm，Iμm和0.5μm；最大测量长度：3m(接长可至12m)；系统准确度：正负10μm、正负5μm；测量速度：48m／min，60m／min。

在光栅数显表的硬件方面，国内的生产厂商普遍采用可编程逻辑器件(PLD)
及现场可编程门阵YlJ(FPGA)。

缩短了产品开发周期，降低了制造成本，大大地
压缩了电路结构，在普遍采用的表面安装技术(SMT)的基础上数显表都做成了
低功耗的单板结构，电源几乎都采用输人电压为100--．240V的开关电源，机箱
也采用了铸铝的轻型结构，总的说来数显表已大大地缩小了和国外产品的差
距。

现在光栅测量系统的应用除了各种机床外已广泛用于投影仪、影像仪、对
刀仪等。

我国数显行业初步形成了与国际一流企业竞争的基本条件，进入了良性循
环的态势，加之国际数显市场良好的前景，不难预见，在未来五年，我国整个
数显行业将步入发展的快行道
4 几种光栅干涉测位移方法
4.1 双波长单光栅干涉
单光栅位移测量系统虽然测量分辨率很高，但测量精度尚未达到理想的纳米级水平。

双波长单光栅位移测量实质是将单光栅衍射理论与双频外差干涉理论相结合，利用各自的光学优点，再配合外差干涉信号处理方法，从而构造大量程纳米级精度的位移测量系统。

由光的叠加与干涉理论知道，两个同向振动但频率相近的光波合成时将形成拍，其频率之差为拍频，拍频实际上是单位观测时间内
合光强强度变化的次数。

4.1.1 主要特点：
（1）由于光栅位移测量量程取决于所采用光栅的长度，这里采用价格适中的低
线数长光栅，可实现大量程的测量范围。

同时，系统的光学细分倍数为2m，当采用较高的衍射级次进行测量时，光学细分倍数一般可超过20 倍。

（2）由理论推导可知，双波长单光栅式干涉测量方法的测量基准是光栅栅距d，
而不是光波波长λ。

（3）采用双波长激光作光源，仅仅是给干涉条纹随位移（或时间）的变化引入
一个载波，使普通单光栅干涉测量的直流信号系统转变为双波长单光栅式干涉测
量的交流信号系统，从而大大增强系统的抗干扰能力和稳定性，并具有对光强波
动不敏感、响应速度快、信噪比高和交流放大器具有高增益等优点，易于实现高
精度测量。

（4）当两束存在频差的激光经过光栅衍射后进行干涉时，将会产生光学拍现象，
即外差信号。

4.2 双波长集成光栅干涉位移检测原理
双波长集成光栅干涉位移的检测原理如图l所示。

两束不同波长的平行相干光束透过玻璃基底照射到光栅上，其中一部分透过光栅之间的间隙照射到可动部件底面的反射面反射回来透过光栅间隙形成第二束衍射光束，两束光束各自发生干涉。

另一部分被光栅条底面直接反射形成一束衍射光束。

因此，对于某个波长的某个级次的两束衍射光之间存在4πnd的相移。

因不同波长的光有不同的衍射角，故不同波长的衍射光能形成分开的光斑，可分别测量。

研究了双波长集成光栅干涉微位移检测方法，在合适的初始间隙的情况下，通过交替切换利用两种波长中灵敏度较大的输出信号，实现了远大于单波长干涉的测量范围，同时，可以在一定范围内实现绝对位置测量。

利用硅／玻璃键合体硅工艺制作的集成光栅敏感芯片，通过静电驱动使敏感芯片的可动部件产生位移，利用双波长干涉，测得芯片可动部件与光栅间的起始间隙为7．522肛m，实现了可动部件约为1．659μm的位移测量。

在间隙从7．522μm到6．904μm区间618 nm的位移测量范围，其最大噪声等效位移为0．2 nm。

实验结果表明利用双波长集成光栅干涉测量法使集成光栅位移测量量程得到了扩展，并实现了一定范围内的绝对位置测量。

4.3 基于2次莫尔条纹的光栅纳米测量系统
采用2次莫尔条纹法也能够实现高倍数的莫尔条纹光学细分，其光路结构如图3所示，光栅尺与指示光栅形成两路莫尔条纹，其中一路莫尔条纹经过透镜转向后与另一路莫尔条纹通过棱镜转向形成2次莫尔条纹。

透镜的作用是将1次莫尔条纹信号缩小，以便两组1次莫尔条纹干涉形成具有更好放大作用的2次莫尔条纹。

这种方法通过2次莫尔条纹可以实现高倍数的光学细分，再配合高倍电子细分，其光学分辨率和精度理论上可以达到纳米级水平。

但是要实现1次莫尔条纹相交干涉产生横向2次莫尔条纹，必须满足两个条件：(1)两组1次莫尔条纹必须为横向莫尔条纹，并为明暗相间的直线簇；(2)两组1次莫尔条纹的移动方向必须相反。

因此，为了产生高质量的2次莫尔条纹，首先必须产生高质量的1次莫尔条纹，这就要求两对光栅付的加工精度非常高，同时对系统的安装调试精度要求也较高，需要设计相应的精密调整机构。

3 结论与展望
以上介绍的几种光栅干涉位移测量方法，其中双光栅干涉系统由于要求高线数的标尺光栅，其量程不可能太大；2次莫尔条纹干涉方法的理论分辨力和精度都能达到纳米水平，但量程由于其光路对称结构的要求而受到很大限制，并且要得到好的结果，必须很高的加工精度和安装精度来形成高质量的1次莫尔条纹；单光栅测量系统尽管量程与分辨力都能达到理想要求，但是精度上没有得到很好的实现；双波长单光栅式纳米级位移测量系统不仅继承了单光栅系统的优点，而且通过引进双频载波大大增强系统的抗干扰能力和稳定性，再配合经典的外差相位细分方法，使系统达到了纳米精度要求。

在今后相当长一段时间内，光栅干涉位移测量技术仍将是人们研究的热点，同时该领域也仍然存在诸多要深入探索的问题：(1)研究新的原理方法，包括新的光栅测量原理，新的适合纳米测量的莫尔条纹细分方法，以及与其它位移测量方法相结合所产生的新方法等；(2)研究精密机械装定技术，系统要想达到纳米级甚至亚纳米级的水平，必须具备纳米级的定位和导轨系统；(3)进行误差理论的研究分析，如光栅衍射特性对测量分辨力和精度的影响机理，光栅制作误差对测量精度的影响机理，温度等环境因素变化所引起的误差，电子细分误差等，并在量化分析的基础上研究合适的补偿技术；(4)在保证系统分辨力和精度的基础上，实现动态条件下的多维位移的测量；(5)研究新的光栅制作技术，包括大量程超高线数的衍射光栅，2维及多维光栅等。

可以预见，光栅干涉位移测量将以其高分辨力、高精度、体积小、成本低和易于仪器化等诸多优点在工程测量领域将发挥更大的作用。

参考文献
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