光柵測量系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題
1、測量準確度（精度）
光柵線位移傳感器的測量準確度，首先取決于標尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），其次才是信號處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標尺光柵導(dǎo)向的誤差。影響光柵尺測量準確度的是在光柵整個測量長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內(nèi)的位置偏差。
光柵尺的準確度（精度）用準確度等級表示，Heidenhain定義為：在任意1m測量長度區(qū)段內(nèi)建立在平均值基礎(chǔ)上的位置偏差的*大值Fmax均落在±α（μm）之內(nèi)，則±α為準確度等級。Heidenhain準確度等級劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可見Heidenhain光柵尺的準確度等級和測量長度無關(guān)，這是很高的一個要求，現(xiàn)在還沒有見到其他生產(chǎn)廠家能夠達到這一水平。
現(xiàn)在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm，對衍射光柵柵距采用4μm和8μm，（1nm光柵除外）光學(xué)二倍頻后信號周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號周期及位置偏差見表2。
表2
光柵類別 信號周期（μm） 一個信號周期內(nèi)的位置偏差（μm）
幾何光柵 20和40
開放式光柵尺±1%，即±0.2~±0.4
封閉式光柵尺±2%，即±0.4~±0.8
衍射光柵 2和4
開放式光柵尺±1%，即±0.02~±0.04
封閉式光柵尺±2%，即±0.02~±0.08
2、信號的處理及柵距的細分
光柵的測量是將一個周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結(jié)合在一起，也就是說在柵距的一個周期內(nèi)將柵距細分后進行絕對的測量，超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測量。為了保證測量的精度，除了對光柵的刻劃質(zhì)量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質(zhì)量有要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵測量信號的細分數(shù)（倍頻數(shù)）和測量分辨力（測量步距）。柵距的細分數(shù)和準確性也影響光柵測量系統(tǒng)的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質(zhì)量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好；信號直流電平漂移要小。對讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電路和后續(xù)的數(shù)字化插補電路要求頻率特性好，才能保證測量速度大。
Heidenhain有專門為光柵傳感器和CNC相聯(lián)結(jié)設(shè)計了光柵倍頻器，也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號（一個周期是一個柵距）進行插補和數(shù)字化處理后給出相位相差90°的方波，其細分數(shù)（倍頻數(shù)）有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的4倍頻后對柵距的細分數(shù)有20、40、100、200、400、800和1600，能實現(xiàn)測量步距從1nm到5μm，倍頻數(shù)選擇取決于光柵信號一個柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細分數(shù)和輸入頻率的關(guān)系見表3。
表3
倍頻細分數(shù) 0 2 10 25 50 100 200 400
輸入頻率kHz 600 500 200 100 50 25 12.5 6.25
選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的測量步距。在Heidenhain的數(shù)顯表中可以設(shè)置15種之多的倍頻數(shù)，*高頻數(shù)可達1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微機上用的數(shù)量卡*大倍頻數(shù)可到4096。
3、光柵的參考標記和絕對座標
（1）光柵絕對位置的確立
光柵是增量測量，光柵尺的絕對位置是利用參考標記（零位）確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致，經(jīng)后續(xù)電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統(tǒng)一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain設(shè)計了在測量全長內(nèi)按距離編碼的參考標記，每當經(jīng)過兩個參考標記后就可以確定光柵尺的絕對位置，例如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對于標尺移動20mm后就可確定絕對位置，柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。
（2）絕對坐標傳感器
為了在任何時刻測量到絕對位置，Heidenhain設(shè)計制造了LC系列絕對光柵尺，它是用七個增量碼道得到絕對位置，每個碼道是不同的，刻線*細碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨力都可為0.1μm，準確度±3μm。測量長度可達3m，*大速度120m/min。它所采用的是光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場掃描的影像測量原理。
4.光柵的載體和熱性能
光柵尺是在20°±0.1℃環(huán)境中制造，光柵的熱性能直接影響到測量精度，在使用上光柵尺的熱性能*好和測量的對象的熱性能一致?？紤]到不同的使用環(huán)境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)?，F(xiàn)用的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K，鋼為10ppm/K，現(xiàn)在Heidenhain已采用了和鋼一樣膨脹系數(shù)的玻璃。這些材料對振動、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，并對氣壓和濕度的變化也不會有影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的選擇，使光柵尺與被測對象的熱性能有*佳的匹配。
