光柵測長儀的測量誤差分析與研究

摘 要：本文介紹了光柵測長儀的結(jié)構(gòu)、測量原理及光柵測長儀的測量誤差進行了研究和分析，對研究光柵測長儀的長度測量有一定的幫助。

關鍵詞：光柵測長儀 測量誤差 分析 研究

1、概述

自本世紀五十年代初光柵技術(shù)引入長度計量領域以來，由于光柵式測量系統(tǒng)具有的許多優(yōu)點，所以目前在線值測量、角分量測量、位移量同步比較測量以及機床數(shù)控等各個方面得到了廣泛的應用，具有很高的實用價值。計量光柵技術(shù)的發(fā)展，促進了長度計量領域內(nèi)數(shù)字顯示、自動測量、動態(tài)測試及微機控制等技術(shù)的發(fā)展。

誤差是計量測試和儀器制造領域的重要研究內(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量精度，所以受到了廣泛的重視。特別是在加工精度越來越高的今天，誤差分離與修正技術(shù)已成為實現(xiàn)高精度測量的常用方法。

2、光柵測長儀結(jié)構(gòu)及測量原理

光柵測長儀主要由光柵尺、控制板、光柵數(shù)顯表、導軌、滑塊、剛帶、電機驅(qū)動系統(tǒng)、光柵信號輸出線、基座和工作臺組成。光柵測長儀的測量原理圖如圖1所述，光源發(fā)出的光照射到標尺光柵上，當標尺光柵與指示光柵相對平行移動時，在四個光電元件上產(chǎn)生彼此相差90°的四路信號。四路信號兩兩相減，消除信號中的直流電平，得到兩路相位差為90°的正弦信號，然后將它們送入數(shù)顯表的電子細分和辨向電路，實現(xiàn)對位移的測量。信號電纜送入光柵數(shù)顯表進行放大、整型、細分、辨向、方位辨識、計數(shù)譯碼，最后實現(xiàn)數(shù)字顯示。

圖1 光柵測長儀的測量原理圖

3、光柵測長儀的測量誤差分析

光柵系統(tǒng)為測長儀的標準量部分，由于其本身及測量機機體、導軌系統(tǒng)、剛帶、控制系統(tǒng)等動態(tài)誤差源的綜合影響，光柵系統(tǒng)的讀數(shù)誤差反映測量機的動態(tài)誤差，此項動態(tài)誤差也是本文研究的重點。

莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的。對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，個別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測量精度。雖然莫爾條紋對刻劃誤差具有均化作用，但是，光柵測量系統(tǒng)仍存在一些測量誤差，主要包括以下幾個方面。

3.1 標尺光柵誤差

標尺光柵誤差主要包括兩方面，即柵距誤差和刻劃時的均勻性誤差。莫爾條紋對光柵柵距誤差具有平均效應，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零觸發(fā)，則當柵線質(zhì)量和尺面質(zhì)量不好而使信號直流電平有變化時，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)對信號的影響、 平移對信號的影響。

光柵副的間隙誤差 的存在，將會引起信號調(diào)制度的變化和直流電平的相對變化，從而給光柵系統(tǒng)的測量帶來誤差。

光柵副刻線之間的夾角偏差 ，也會引起信號調(diào)制度的變化，而且，它還會引起信號正交性的變化，從而給光柵測量系統(tǒng)帶來誤差。

若 偏轉(zhuǎn)軸x與通過某相光闌中心的光軸垂直相交于一點，則運動光柵偏轉(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，從而引發(fā)平均間隙的變化。

平移對信號的影響， 使橫向莫爾條紋在y方向平移，直接引起 的測量誤差。

3.3 電子系統(tǒng)誤差

光柵電子系統(tǒng)是光柵量儀的重要組成部分，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分誤差、電路穩(wěn)定性及可靠性誤差兩項，其中電路穩(wěn)定性及可靠性的誤差是隨機的，可通過多次測量的平均來克服或減小。細分誤差為電子系統(tǒng)質(zhì)量的關鍵。以細分電路是采用移相電阻鏈細分方法實現(xiàn)的光柵量儀為例，其送入乘法器的原始信號的正弦、余弦信號的質(zhì)量，即含有殘余直流電平，高次諧波對稱性、正交性等都會影響相位差，從而帶來細分誤差。

3.4 溫度誤差

隨著現(xiàn)代測量的精度要求越來越高，溫度誤差在測量總誤差中的比重越來越大，對溫度誤差的測量越來越受到人們的關注。在光柵測量系統(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)誤差測溫誤差溫度場不均勻誤差。在一定的測量條件下，光柵測量系統(tǒng)的溫度誤差主要表現(xiàn)為第一項，即光柵尺的溫度變形誤差。

4、總結(jié)

計量光柵是一種利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行長度和角度測量的傳感器，作為一種將機械位移信號轉(zhuǎn)化為光電信號的手段，光柵位移測量技術(shù)在長度與角度的數(shù)字化測量、儀器儀表、計量技術(shù)、數(shù)控機床、應力分析等領域得到了廣泛的應用，如三坐標測量機、測長儀和程控機床等。然而這些系統(tǒng)都是在動態(tài)條件下進行測量或加工的與測量誤差的評定與分析有很大的關系。這也是誤差修正及動態(tài)精度理論研究的基礎性和探索性工作。該方向的內(nèi)容涉及的面廣而且深，由于時間及能力的有限，還有很多工作需要進一步深入研究。

參考文獻：

[1]費業(yè)泰.精度理論若干問題研究進展與未來[J].中國機械工程.2000.

[2]李殿奎.光柵計量技術(shù)[D].北京：中國計量出版社.2011.

[3]程真英.動態(tài)測量誤差的貝葉斯建模預報[D].合肥工業(yè)大學碩士論文.2004.

[4]張善錘.計量光柵技術(shù)[D].北京機械工業(yè)出版社.2008.

[5]王中宇等.測量不確定度非統(tǒng)計理論[D].北京：國防工業(yè)出版社.2006.

作者簡介：

冀紅，性別：女，出生年月：1968年11月20日，職稱：工程師，工作單位：沈陽計量測試院，研究方向：測繪儀器、光學儀器、驗光設備。