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構、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引入長度計量領域以來，由于光柵式測量系統具有的許多優點，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。計量光柵技術的發展，促進了長度計量領域內數字顯示、自動測量、動態測試及微機控制等技術的發展。

誤差是計量測試和儀器制造領域的重要研究內容之一。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已成為實現高精度測量的常用方法。

2、光柵測長儀結構及測量原理

光柵測長儀主要由光柵尺、控制板、光柵數顯表、導軌、滑塊、剛帶、電機驅動系統、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，然后將它們送入數顯表的電子細分和辨向電路，實現對位移的測量。信號電纜送入光柵數顯表進行放大、整型、細分、辨向、方位辨識、計數譯碼，最后實現數字顯示。

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、剛帶、控制系統等動態誤差源的綜合影響，光柵系統的讀數誤差反映測量機的動態誤差，此項動態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，則當柵線質量和尺面質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、 偏轉與 偏轉對信號的影響、 平移對信號的影響。

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

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帶來誤差。

若 偏轉軸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 后，此相光闌前方的光柵平均間隙等于偏轉前的原始間隙，若偏轉軸x與偏轉軸y不交于一點，從而引發平均間隙的變化。

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 電子系統誤差

光柵電子系統是光柵量儀的重要組成部分，它決定了系統的分辨率和系統精度，這部分誤差主要有細分誤差、電路穩定性及可靠性誤差兩項，其中電路穩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質量的關鍵。以細分電路是采用移相電阻鏈細分方法實現的光柵量儀為例，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，光柵測量系統的溫度誤差主要表現為第一項，即光柵尺的溫度變形誤差。

4、總結

計量光柵是一種利用光柵的莫爾條紋現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化為光電信號的手段，光柵位移測量技術在長度與角度的數字化測量、儀器儀表、計量技術、數控機床、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。然而這些系統都是在動態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精度理論研究的基礎性和探索性工作。該方向的內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[D].北京：中國計量出版社.2011.

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

[4]張善錘.計量光柵技術[D].北京機械工業出版社.2008.

[5]王中宇等.測量不確定度非統計理論[D].北京：國防工業出版社.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。