第四章 光電儀器中的定位與校準

1、 光電儀器精度的高低，除精密機械部分的運動精度外，光電儀器精度的高低，除精密機械部分的運動精度外，很大程度上還取決于它的很大程度上還取決于它的。因此定位與測量。因此定位與測量系統(tǒng)是光電儀器中的一個重要組成部分，特別是對高精度的系統(tǒng)是光電儀器中的一個重要組成部分，特別是對高精度的儀器尤為重要。儀器尤為重要。 是將儀器的響應示值與其啟動信號或通過其是將儀器的響應示值與其啟動信號或通過其他方法測得的真實值相聯(lián)系的過程。校準的對象是測量儀器、他方法測得的真實值相聯(lián)系的過程。校準的對象是測量儀器、實物量具或測試系統(tǒng)等，其目的是通過與標準比較確定測量實物量具或測試系統(tǒng)等，其目的是通過與標準比較確定測量裝置

2、的示值，也就是裝置的示值，也就是用測量標準去測量被校準量用測量標準去測量被校準量。 校準技術(shù)是測量儀器的基礎(chǔ)校準技術(shù)是測量儀器的基礎(chǔ)，也是其關(guān)鍵技術(shù)。研究高，也是其關(guān)鍵技術(shù)。研究高精度校準技術(shù)對系統(tǒng)整體性能的提高起著重要的作用。精度校準技術(shù)對系統(tǒng)整體性能的提高起著重要的作用。用測量手段檢測光電儀器中精密機用測量手段檢測光電儀器中精密機械部分（或其它部分）械部分（或其它部分）運動位置精度運動位置精度的系統(tǒng)。的系統(tǒng)。定位系統(tǒng)可分為定位系統(tǒng)可分為和和。 開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器和被控對象組成，由輸入端通過開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器和被控對象組成，由輸入端通過輸入信號控制被控對象得輸出物理量的變化，如下圖所示。

3、輸入信號控制被控對象得輸出物理量的變化，如下圖所示。圖圖4-1 精密工作臺系統(tǒng)精密工作臺系統(tǒng)1-電機電機 2-帶傳動帶傳動 3-蝸輪蝸桿蝸輪蝸桿 4-螺旋傳動螺旋傳動 5-工作臺工作臺 此類系統(tǒng)此類系統(tǒng)，它的運動位置精度主，它的運動位置精度主要決定于要決定于執(zhí)行元件的精度執(zhí)行元件的精度和和精精密機械本身的加工精度密機械本身的加工精度。系統(tǒng)比較簡單；調(diào)整、使用和維修較方便；工作穩(wěn)系統(tǒng)比較簡單；調(diào)整、使用和維修較方便；工作穩(wěn)定可靠；成本低。定可靠；成本低。驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)精密工作臺精密工作臺圖圖4-2 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)框圖精度比較低，一般只能達到精度比較低，一般只能達到

4、10m級精度，如測量顯級精度，如測量顯微鏡，故微鏡，故中。中。 盡管開環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點很多，但達到的精度畢竟是有限的，盡管開環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點很多，但達到的精度畢竟是有限的，已遠遠不能滿足現(xiàn)代精密儀器的高精度和自動化的要求。已遠遠不能滿足現(xiàn)代精密儀器的高精度和自動化的要求。閉環(huán)控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)是系統(tǒng)，具有輸入信號控制系統(tǒng)，具有輸入信號控制被控量的通道，同時具有由輸出量信號反饋到輸入端的反被控量的通道，同時具有由輸出量信號反饋到輸入端的反饋通道。負反饋控制按輸入與輸出信號的饋通道。負反饋控制按輸入與輸出信號的進行控制。進行控制。如下圖所示的精密工作臺的位置精度的閉環(huán)控制。如下圖所示的精密工作臺的位置精度

5、的閉環(huán)控制。微處理器微處理器動力部件動力部件工作臺工作臺圖圖4-3 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置檢測檢測裝置裝置AB定位精度高定位精度高( (可達到可達到亞微米亞微米甚至甚至納微米級納微米級精度精度) )；抗外；抗外界干擾和內(nèi)部參數(shù)變化能力強；同時易實現(xiàn)自動化。界干擾和內(nèi)部參數(shù)變化能力強；同時易實現(xiàn)自動化。系統(tǒng)較復雜；調(diào)整、使用和維修較困難；成本較高。系統(tǒng)較復雜；調(diào)整、使用和維修較困難；成本較高。 盡管如此，由于精密機械和儀器精度要求越來越高，故盡管如此，由于精密機械和儀器精度要求越來越高，故閉環(huán)控制系統(tǒng)應用是非常廣泛的。閉環(huán)控制系統(tǒng)應用是非常廣泛的。 由于由于定位測量系統(tǒng)

6、和精密儀器的精度直接有關(guān)定位測量系統(tǒng)和精密儀器的精度直接有關(guān)，故定位，故定位測量系統(tǒng)的設計是儀器設計中的重要一環(huán)，測量系統(tǒng)的設計是儀器設計中的重要一環(huán)，在選擇定位與測量方法時，首先要從所在選擇定位與測量方法時，首先要從所設計的精密儀器的精度出發(fā)，根據(jù)儀器所要求的精度合理地選設計的精密儀器的精度出發(fā)，根據(jù)儀器所要求的精度合理地選擇定位與測量方法。一般情況下，擇定位與測量方法。一般情況下，定位測量系統(tǒng)的精度應為儀定位測量系統(tǒng)的精度應為儀器總體精度的器總體精度的1/3-1/5；定位測量系統(tǒng)的分辨率是該系統(tǒng)設計中一定位測量系統(tǒng)的分辨率是該系統(tǒng)設計中一個重要參數(shù)，分辨率大小與控制系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，定

7、位個重要參數(shù)，分辨率大小與控制系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，定位測量系統(tǒng)分辨率應小于儀器精度，通常測量系統(tǒng)分辨率應小于儀器精度，通常取儀器精度的取儀器精度的1/3-1/10；它主要取決于光電接收元件和控制電路它主要取決于光電接收元件和控制電路的頻率響應速度；的頻率響應速度； 在光電儀器中所使用的光柵可看作是刻線在光電儀器中所使用的光柵可看作是刻線間距很小的間距很小的標尺和度盤標尺和度盤。光柵的種類很多，按其工作原理和用途可分為：光柵的種類很多，按其工作原理和用途可分為：物理光柵物理光柵和和計量光柵計量光柵兩種。兩種。 右圖所示，右圖所示，a為光柵為光柵柵線寬柵線寬度度，b為光柵為光柵縫隙寬度縫隙寬度即

8、即透光間透光間隙隙， 為相位光柵的斜角。光為相位光柵的斜角。光柵相鄰兩柵線的距離柵相鄰兩柵線的距離c=a+b稱稱為光柵的為光柵的柵距或節(jié)距柵距或節(jié)距。圖圖4-4 光柵放大圖光柵放大圖 ccabba 是利用是利用光柵的衍射效應分光光柵的衍射效應分光進行工作的。進行工作的。其其柵距較小，一般接近于光譜的波長，柵距柵距較小，一般接近于光譜的波長，柵距c =0.52 m。主。主要作為要作為用于光譜分析和測量等物理光學儀器中。用于光譜分析和測量等物理光學儀器中。 是利用是利用光柵形成的莫爾條紋原理光柵形成的莫爾條紋原理進行工作。進行工作。其柵距較大，通常情況下柵距其柵距較大，通常情況下柵距c =0.00

9、40.05mm。在精密測。在精密測長和測角的光電儀器中不僅作為長和測角的光電儀器中不僅作為，目，目前更多地作為前更多地作為應用于各種數(shù)控設備。應用于各種數(shù)控設備。計量光柵計量光柵圓光柵圓光柵長光柵長光柵徑向光柵徑向光柵黑白光柵黑白光柵相位光柵相位光柵透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵玻璃載體玻璃載體切向光柵切向光柵金屬載體金屬載體玻璃載體玻璃載體金屬膜金屬膜柵線與縫隙黑白柵線與縫隙黑白相間，通常采用母光柵相間，通常采用母光柵照相復制法加工而成，照相復制法加工而成，柵距一般柵距一般0.010.05mm其橫截面呈鋸齒其橫截面呈鋸齒狀，通常用刻劃法加工狀，通常用刻劃法加工而成，柵距較小，一般而成，柵距

10、較小，一般0.0040.01mm用于用于測量，柵線數(shù)測量，柵線數(shù)通常在通常在用于用于測量，柵距角測量，柵距角 一般一般不小于不小于1 當兩塊黑白透射光柵的刻線面當兩塊黑白透射光柵的刻線面相疊合，并使兩者的柵線有很相疊合，并使兩者的柵線有很小的交角時，兩光柵的柵線彼小的交角時，兩光柵的柵線彼此重合，光線通過光柵后形成此重合，光線通過光柵后形成亮帶和暗帶。這種亮帶和暗帶。這種明暗相間明暗相間的的條紋稱為條紋稱為。 光柵光柵a光柵光柵c四棱形四棱形aabbB 叉線叉線 莫爾條紋是基于兩塊光柵疊合的莫爾條紋是基于兩塊光柵疊合的形成形成的。的。利用莫爾條紋測量位移（包括直線位移和角位移）其利用莫爾條紋測

11、量位移（包括直線位移和角位移）其核心部件是核心部件是光柵副光柵副，即，即標尺光柵和指示光柵標尺光柵和指示光柵。計量光柵是一種計量光柵是一種增量式編碼增量式編碼的光學標準器。的光學標準器。 長光柵是以柵距長光柵是以柵距c為增量的編碼尺，圓光柵是以柵距角為增量的編碼尺，圓光柵是以柵距角 為增量的編碼盤。長光柵與圓光柵的編碼方程式可分別表為增量的編碼盤。長光柵與圓光柵的編碼方程式可分別表示為示為cNL cNcNabx21 N 從光柵編碼方程式中看出，若以長光柵作為標準器，對從光柵編碼方程式中看出，若以長光柵作為標準器，對某一被測物體進行比較測量的情形，如圖所示。某一被測物體進行比較測量的情形，如圖所

12、示。式中式中 L -長光柵的有效刻劃長度；長光柵的有效刻劃長度； -圓光柵的圓周角；圓光柵的圓周角； N -光柵的柵線對數(shù)。光柵的柵線對數(shù)。被測物體長被測物體長x 2 1圖圖4-7 光柵測量示意圖光柵測量示意圖刻線刻線刻線刻線a光柵尺光柵尺Ncb 測量的實質(zhì)就是在光柵尺測量的實質(zhì)就是在光柵尺上讀取反映被測對象長度的數(shù)上讀取反映被測對象長度的數(shù)值值x。此值可表示為。此值可表示為或或cNx nc nc 由上式看出，所謂光柵測量實際上就是讀取相應的光柵線數(shù)由上式看出，所謂光柵測量實際上就是讀取相應的光柵線數(shù)N和不到一個柵距的和不到一個柵距的 。如果測量精度允許舍去小數(shù)值，測量。如果測量精度允許舍去小

13、數(shù)值，測量方程式可簡化為方程式可簡化為由此可知，對被測物體的測量過程，變?yōu)閱渭兊刈x取光柵柵由此可知，對被測物體的測量過程，變?yōu)閱渭兊刈x取光柵柵距數(shù)距數(shù)N的過程。從光電讀數(shù)來看，就是對光柵信號的計數(shù)。的過程。從光電讀數(shù)來看，就是對光柵信號的計數(shù)。 則小數(shù)部分則小數(shù)部分 可表示為可表示為 若如果要讀取小數(shù)部分的若如果要讀取小數(shù)部分的 ，這時必須對柵距，這時必須對柵距c進行細分進行細分或測微。假設將柵距分成或測微。假設將柵距分成n等分，并令等分，并令n為細分系統(tǒng)的細分數(shù)，為細分系統(tǒng)的細分數(shù)，則細分系統(tǒng)的分辨率則細分系統(tǒng)的分辨率 可表示為可表示為 cNcNabx21），（nmm10 cNabx MmN

14、nmNnx 式中式中M = Nn + m MmN 同理，可以寫出圓光柵的測量方程式為同理，可以寫出圓光柵的測量方程式為 (a) 為為原理方案圖，它模擬式原理方案圖，它模擬式x=Nc進行工作。進行工作。當光柵每移動一個柵距當光柵每移動一個柵距 c 時，計數(shù)編碼電路送出一個計時，計數(shù)編碼電路送出一個計數(shù)脈沖，由可逆計數(shù)器進行計數(shù)和譯碼顯示。數(shù)脈沖，由可逆計數(shù)器進行計數(shù)和譯碼顯示。式中式中 -圓光柵細分系統(tǒng)的分辨率，圓光柵細分系統(tǒng)的分辨率， = /n； M 以分辨率以分辨率 為單位的總計數(shù)值，為單位的總計數(shù)值，M =Nn+m。取樣電路取樣電路取樣電路取樣電路計數(shù)編碼電路計數(shù)編碼電路整數(shù)計數(shù)編碼整數(shù)計

15、數(shù)編碼計數(shù)和顯示計數(shù)和顯示計數(shù)與顯示計數(shù)與顯示細分電路細分電路取樣電路取樣電路細分電路細分電路計數(shù)和顯示計數(shù)和顯示分離電路分離電路（a）（b）（c）為為系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式 進行工作。當光柵每移動一個柵距進行工作。當光柵每移動一個柵距 c 時，細分電路時，細分電路可送出等于細分數(shù)的可送出等于細分數(shù)的n個脈沖，由可逆計數(shù)器進行計數(shù)個脈沖，由可逆計數(shù)器進行計數(shù)和譯碼顯示。這種原理是目前廣為采用的方案。和譯碼顯示。這種原理是目前廣為采用的方案。取樣電路取樣電路整數(shù)計數(shù)編碼整數(shù)計數(shù)編碼計數(shù)與顯示計數(shù)與顯示細分電路細分電路分離電路分離電路（c）為為的計數(shù)系統(tǒng)原理方案圖。它模擬

16、式的計數(shù)系統(tǒng)原理方案圖。它模擬式進行工作，該方案可看作進行工作，該方案可看作(a)和和(b)的綜合。光柵信號由的綜合。光柵信號由分離電路分離出整數(shù)計數(shù)脈沖和小數(shù)計數(shù)脈沖后，分別經(jīng)整分離電路分離出整數(shù)計數(shù)脈沖和小數(shù)計數(shù)脈沖后，分別經(jīng)整數(shù)計數(shù)編碼電路和細分電路送出綜合計數(shù)脈沖。這種方案適數(shù)計數(shù)編碼電路和細分電路送出綜合計數(shù)脈沖。這種方案適用于用于高精度快速高精度快速測量。測量。要得到橫向莫爾條紋，需滿足：要得到橫向莫爾條紋，需滿足：兩光柵的柵距相等。兩光柵的柵距相等。1. 交角交角 很小，很小， 0。 橫向莫爾條紋與垂直主光柵橫向莫爾條紋與垂直主光柵方向的夾角是兩光柵夾角方向的夾角是兩光柵夾角 的

17、的1/2。 cB 橫向莫爾條紋的間距近似計算公式為橫向莫爾條紋的間距近似計算公式為光柵光柵a光柵光柵caabbB 由于交角由于交角 很小，一般只有幾分，故可認為條紋幾乎與很小，一般只有幾分，故可認為條紋幾乎與y軸垂直，這是把它稱為橫向莫爾條紋的原因。軸垂直，這是把它稱為橫向莫爾條紋的原因。 當兩塊等柵距的當兩塊等柵距的光柵交角光柵交角時，莫時，莫爾條紋的間距爾條紋的間距。條紋變成一片黑暗；條紋變成一片黑暗；條紋變成最明亮一片；條紋變成最明亮一片；光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 coscNs 式中的式中的 為光柵移動方向與柵線的垂線之間的夾角，通常為光柵移動方向與柵線的垂線之間的夾角，通常 =0 。

18、當光柵副中任一光柵沿著垂直于柵線方向移動時，橫向當光柵副中任一光柵沿著垂直于柵線方向移動時，橫向莫爾條紋就沿著近似垂直于光柵的移動方向運動。光柵移過莫爾條紋就沿著近似垂直于光柵的移動方向運動。光柵移過一個柵距一個柵距 c ，莫爾條紋移動一個條紋間距。因此光柵移動的，莫爾條紋移動一個條紋間距。因此光柵移動的距離距離s可由條紋移動的數(shù)目可由條紋移動的數(shù)目N來計數(shù)來計數(shù) 莫爾條紋與光柵運動方向的關(guān)系莫爾條紋與光柵運動方向的關(guān)系例如：當例如：當 =10 時，時，k = 1/ = 1/0.29 = 345 。 莫爾條紋具有對光柵位移的放大作用。莫爾條紋具有對光柵位移的放大作用。它比一般的光學和它比一般的

19、光學和機械方法易于實現(xiàn)大倍率的放大。所以莫爾條紋被廣泛機械方法易于實現(xiàn)大倍率的放大。所以莫爾條紋被廣泛地用來實現(xiàn)地用來實現(xiàn)高靈敏度高靈敏度的位移測量。的位移測量。 莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B可以通過改變交角可以通過改變交角 來調(diào)整來調(diào)整。通常可調(diào)通?？烧{(diào)至至10mm，以便與陣列光電器件相配合進行光電信號的轉(zhuǎn)，以便與陣列光電器件相配合進行光電信號的轉(zhuǎn)換，這為換，這為直接位置細分法直接位置細分法提供了客觀的可能性。提供了客觀的可能性。莫爾條紋與柵距的關(guān)系可用莫爾條紋的放大系數(shù)莫爾條紋與柵距的關(guān)系可用莫爾條紋的放大系數(shù)k來來表示：表示：莫爾條紋間距與光柵柵距的關(guān)系莫爾條紋間距與光柵柵距的關(guān)系 1

20、 cBk 可較容易地實現(xiàn)高精度測量?？奢^容易地實現(xiàn)高精度測量。 可利用光柵來控制制造光柵可利用光柵來控制制造光柵。也就是采用精度較低的光柵，也就是采用精度較低的光柵，得到精度很高的莫爾條紋，用莫爾條紋再控制光柵刻線機，刻得到精度很高的莫爾條紋，用莫爾條紋再控制光柵刻線機，刻制出高精度的光柵，使后一代光柵比前一代光柵的質(zhì)量更高。制出高精度的光柵，使后一代光柵比前一代光柵的質(zhì)量更高。這就是這就是。由于光電接收器接收到的條紋光信由于光電接收器接收到的條紋光信號是整個光敏區(qū)域內(nèi)所有柵線交點的綜號是整個光敏區(qū)域內(nèi)所有柵線交點的綜合結(jié)果，故對各柵距誤差起平均作用。合結(jié)果，故對各柵距誤差起平均作用。即即莫爾

21、條紋具有平均光柵誤差的作用莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 莫爾條紋與光柵柵距誤差的關(guān)系莫爾條紋與光柵柵距誤差的關(guān)系 N abc ba根據(jù)偶然誤差規(guī)律，設單個柵距誤差根據(jù)偶然誤差規(guī)律，設單個柵距誤差為為 ，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條柵線，條柵線，則綜合柵距誤差則綜合柵距誤差 可近似地表示為：可近似地表示為：當光柵受平行光束均勻照射時莫爾條紋的光強成四棱形當光柵受平行光束均勻照射時莫爾條紋的光強成四棱形光點分布，其光強的波形如下圖所示。在理想條件下是以莫光點分布，其光強的波形如下圖所示。在理想條件下是以莫爾條紋的間距爾條紋的間距B或光柵柵距或光柵柵距c為周期的為周期的等腰三角

22、形波形等腰三角形波形。莫爾條紋的波形特性莫爾條紋的波形特性 實際上由于兩光柵間有一定的空氣間隙，存在照明光實際上由于兩光柵間有一定的空氣間隙，存在照明光源發(fā)散角的影響，以及光柵的衍射作用、光柵刻制質(zhì)量等源發(fā)散角的影響，以及光柵的衍射作用、光柵刻制質(zhì)量等因素的影響，使莫爾條紋的因素的影響，使莫爾條紋的三角波形光強分布被削頂和削三角波形光強分布被削頂和削底底，從而形成如圖，從而形成如圖(b)所示近似正弦波形。所示近似正弦波形。BOy光強光強(a)cOy光強光強(b)。莫爾條紋理想波形為三角形波，其反差最大，即。莫爾條紋理想波形為三角形波，其反差最大，即Kmax=1。由于。由于光閘莫爾條紋光閘莫爾條

23、紋光信號的波形接近三角形波，因光信號的波形接近三角形波，因而有很好的反差。而有很好的反差。 minmaxminmaxIIIIK 根據(jù)邁克爾遜對根據(jù)邁克爾遜對條紋可見度條紋可見度即即反反差差K的定義，有的定義，有 圖圖4-11 莫爾條紋的光強分布圖莫爾條紋的光強分布圖ImaxIyOIpIminIppIm式中式中 Imax 亮條紋的光強度；亮條紋的光強度； Imin 暗條紋的光強度。暗條紋的光強度。pmpppminmaxminmaxIIIIIIIIK 2由莫爾條紋光強分布圖可得莫爾光信號的反差可表示為：由莫爾條紋光強分布圖可得莫爾光信號的反差可表示為：為為，其，其透光間隙透光間隙a與與刻劃寬度刻劃

24、寬度b相等相等，因此也稱對稱型相，因此也稱對稱型相位光柵。位光柵。為為，將，將透光間隙透光間隙a與柵距與柵距a+b之比值選在之比值選在0.6 0.7之間，這對之間，這對0級和級和1級衍射光有最佳的透過系數(shù)。級衍射光有最佳的透過系數(shù)。相位光柵的柵距較小，作為分光元相位光柵的柵距較小，作為分光元件時其柵線密度一般為件時其柵線密度一般為150 2400線線對對/mm。因此形成條紋的原理可用。因此形成條紋的原理可用光光柵的衍射效應柵的衍射效應來解釋。來解釋。 又稱又稱閃耀光柵閃耀光柵，光柵的，光柵的，通常，通常采取刻劃的方法制成。采取刻劃的方法制成。ab(a) a b(b) 普通光柵在計量過程中都是普

25、通光柵在計量過程中都是以增量的形式以增量的形式反映位移量大反映位移量大小，在測量時小，在測量時零位可任意確定零位可任意確定。若在測量過程中一旦遇到停。若在測量過程中一旦遇到停電、停機或中斷運行等意外事故，會使前面所得的結(jié)果全部電、停機或中斷運行等意外事故，會使前面所得的結(jié)果全部丟失，需要丟失，需要重新確定零位并重復以前的測量工作重新確定零位并重復以前的測量工作才能繼續(xù)。才能繼續(xù)。為克服增量式光柵的該缺點，發(fā)展了一種零位光柵系統(tǒng)。為克服增量式光柵的該缺點，發(fā)展了一種零位光柵系統(tǒng)。 使增量式光柵具有讓電子裝置識別零位標記的可行方法使增量式光柵具有讓電子裝置識別零位標記的可行方法是：是：在光柵刻線區(qū)

26、之外在刻制一組零位柵線在光柵刻線區(qū)之外在刻制一組零位柵線，使它與主光柵，使它與主光柵上的某一位置相對應，作為主光柵的固定零位。上的某一位置相對應，作為主光柵的固定零位。原理上講，只要原理上講，只要，就可作，就可作為零位標記，由單獨的光電接收和電路處理成為零位信號。為零位標記，由單獨的光電接收和電路處理成為零位信號。 但是，只有當光柵的柵距足夠大，使接收的光電信號也但是，只有當光柵的柵距足夠大，使接收的光電信號也足夠大，且在零位精度不高的條件下，這種方法才有實用價足夠大，且在零位精度不高的條件下，這種方法才有實用價值?？墒且话愎鈻艝啪喽己苄。虼酥?。可是一般光柵柵距都很小，因此單縫零位的光能量太

27、弱單縫零位的光能量太弱而無法工作。而無法工作。 若采用多縫等寬的光柵，雖然光能量問題可解決，而輸若采用多縫等寬的光柵，雖然光能量問題可解決，而輸出信號理論上是寬底的三角波，實際上近似于正弦波。所以出信號理論上是寬底的三角波，實際上近似于正弦波。所以輸出信號不是尖脈沖，零點位置不易判別正確。為此需要找輸出信號不是尖脈沖，零點位置不易判別正確。為此需要找一種一種多刻線且輸出為尖脈沖編碼多刻線且輸出為尖脈沖編碼的零位光柵系統(tǒng)。的零位光柵系統(tǒng)。 由于黑白光柵反差信號強，所以由于黑白光柵反差信號強，所以零位光柵一般都采用零位光柵一般都采用非等間距和非等非等間距和非等寬度寬度的黑白光柵。一對零位光柵作相的

28、黑白光柵。一對零位光柵作相對移動時，其光通量對移動時，其光通量F( x )變化的規(guī)律變化的規(guī)律符合右圖曲線，則光柵的零位對準精符合右圖曲線，則光柵的零位對準精度將很高。度將很高。S0正向正向反向反向OxScmF 要求零位信號是個尖三角脈沖，并盡量增大零位脈沖的峰值；要求零位信號是個尖三角脈沖，并盡量增大零位脈沖的峰值； 盡量減小最大殘余信號的幅值盡量減小最大殘余信號的幅值Scm，一般應使，一般應使Scm/S01/3； 考慮光柵正反向測量要求，應使光通量函數(shù)對稱于零位原點。考慮光柵正反向測量要求，應使光通量函數(shù)對稱于零位原點。 圖圖4-16 零位光柵系統(tǒng)的刻線圖零位光柵系統(tǒng)的刻線圖標尺光柵標尺光

29、柵指示光柵指示光柵 右圖所示的一種零位光柵組右圖所示的一種零位光柵組刻線情況，從中可形象地看出當刻線情況，從中可形象地看出當光柵處于光柵處于零位零位時，縫隙將透過時，縫隙將透過最最大的光通量大的光通量，而在，而在偏離零位偏離零位時時光光通量將很快下降通量將很快下降，所以，所以該零位光該零位光柵組有很高的零位對準精度。柵組有很高的零位對準精度。 )sin()(10 tUUtu 莫爾條紋的光信號通常都采用如莫爾條紋的光信號通常都采用如四極硅光池四極硅光池等線性光電等線性光電器件接收，并以電信號的形式輸出。器件接收，并以電信號的形式輸出。 通常情況下，莫爾條紋的光電信號用電壓通常情況下，莫爾條紋的光

30、電信號用電壓 u(t) 的形式表的形式表示，其全電壓信號可表示為：示，其全電壓信號可表示為：，這是光信號，這是光信號不可能出現(xiàn)負值引起的；不可能出現(xiàn)負值引起的；，以每秒鐘內(nèi)光柵的，以每秒鐘內(nèi)光柵的移動距離移動距離x與柵距與柵距c 的比值來表示；的比值來表示；cx 2 光柵角頻率為：光柵角頻率為：消除直流分量后的莫爾條紋光電信號為消除直流分量后的莫爾條紋光電信號為 當令當令U1=1， = t+ ，上式可簡化為，上式可簡化為 上述三個上述三個u(t)的基本公式，在討論光柵信號的光電讀數(shù)和電子的基本公式，在討論光柵信號的光電讀數(shù)和電子細分時經(jīng)常要用到，它們是分析光柵讀數(shù)和電子細分技術(shù)的基礎(chǔ)。細分時經(jīng)

31、常要用到，它們是分析光柵讀數(shù)和電子細分技術(shù)的基礎(chǔ)。 )sin()(1 tUtu sin)( tu假設光柵假設光柵時，形成的計數(shù)脈沖為時，形成的計數(shù)脈沖為，由整形和，由整形和微分電路微分電路A1形成，經(jīng)與門電路形成，經(jīng)與門電路Y1輸出。代表輸出。代表的的，則由反相、整形和微分電路，則由反相、整形和微分電路A2形成，并經(jīng)與門電路形成，并經(jīng)與門電路Y2輸出。輸出。 光柵信號的數(shù)字測量必須要經(jīng)過光柵信號的數(shù)字測量必須要經(jīng)過脈沖計數(shù)電路脈沖計數(shù)電路才能轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息輸出，因此在光柵的動態(tài)測量中，需要了解光柵成數(shù)字信息輸出，因此在光柵的動態(tài)測量中，需要了解光柵信號的信號的。從以下兩方面入手：。從以

32、下兩方面入手：計數(shù)脈沖的形成計數(shù)脈沖的形成測量方向的判別測量方向的判別取樣取樣差分電路差分電路整形電路整形電路微分電路微分電路A1取樣取樣差分電路差分電路整形電路整形電路反相電路反相電路微分電路微分電路A2與門與門Y1與門與門Y2加法加法脈沖脈沖減法減法脈沖脈沖P1P2光柵信光柵信號號AB測量方向的判別測量方向的判別BABP2微分微分取樣取樣正向測量正向測量差分差分整形整形減法脈沖減法脈沖加法脈沖加法脈沖輸出輸出P1BABP2反向測量反向測量減法脈沖減法脈沖加法脈沖加法脈沖P1根據(jù)光柵運動根據(jù)光柵運動方向的不同，方向的不同，使與門電路只使與門電路只能輸出加法或能輸出加法或減法脈沖的一減法脈沖的

33、一種，即種，即測量方測量方向的判別是通向的判別是通過與門電路的過與門電路的邏輯功能進行邏輯功能進行的。的。 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭是將光柵的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，是將光柵的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，為光柵計數(shù)和電子細分提供原始信號。通常把光柵讀數(shù)頭為光柵計數(shù)和電子細分提供原始信號。通常把光柵讀數(shù)頭叫做叫做光柵發(fā)訊器光柵發(fā)訊器或或光柵傳感器光柵傳感器。光柵讀數(shù)頭是一個獨立裝。光柵讀數(shù)頭是一個獨立裝置，一般不包括主光柵。置，一般不包括主光柵。 但在論述光柵讀數(shù)頭的組成與工但在論述光柵讀數(shù)頭的組成與工作原理時又包括主光柵在內(nèi)。作原理時又包括主光柵在內(nèi)。 光柵讀數(shù)頭由光柵讀數(shù)頭由光源照光源照明系統(tǒng)明

34、系統(tǒng)、莫爾條紋形成系莫爾條紋形成系統(tǒng)統(tǒng)和和光電接收系統(tǒng)光電接收系統(tǒng)三個部三個部分組成。分組成。 當光電接收器采用當光電接收器采用硅光電池硅光電池時，由于它的受光面積較時，由于它的受光面積較大，可直接與光柵莫爾條紋的間距相匹配，此時大，可直接與光柵莫爾條紋的間距相匹配，此時可不用物鏡可不用物鏡光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)5，而直接接收莫爾條紋光信號，使結(jié)構(gòu)緊湊。，而直接接收莫爾條紋光信號，使結(jié)構(gòu)緊湊。 1-光源光源 2-聚光鏡聚光鏡 3-主光柵主光柵 4-指示光柵指示光柵 5-物鏡光學系統(tǒng)物鏡光學系統(tǒng) 6-光電接收器光電接收器3 41256光柵讀數(shù)頭分類框圖光柵讀數(shù)頭分類框圖光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭振幅型振幅型

35、相位型相位型直讀式直讀式鏡像式鏡像式調(diào)相式調(diào)相式透射式透射式反射式反射式分光式分光式透射式透射式反射式反射式直讀式讀數(shù)頭直讀式讀數(shù)頭 直讀式是利用直讀式是利用垂直照相系統(tǒng)垂直照相系統(tǒng)獲得莫爾條紋；獲得莫爾條紋； 直讀式直讀式適用于柵距大于適用于柵距大于0.01mm的照相振幅光柵的照相振幅光柵，對，對25100線對線對/mm的黑白光柵，標尺光柵和指示光柵的間隙的黑白光柵，標尺光柵和指示光柵的間隙d 可可按小按小間隙間隙d=(35)c工作工作；也可按；也可按大間隙工作大間隙工作，取，取d=c2/ 。 反射式光柵用鋼材料制成，與透射式玻璃光柵相比，其優(yōu)點反射式光柵用鋼材料制成，與透射式玻璃光柵相比，

36、其優(yōu)點是堅固耐用，線膨脹系數(shù)與工件相近。是堅固耐用，線膨脹系數(shù)與工件相近。直讀式光柵讀數(shù)頭光路圖直讀式光柵讀數(shù)頭光路圖1-光源光源 2-聚光鏡聚光鏡 3-物鏡物鏡 4-光電池光電池 5-主光柵主光柵 6-指示光柵指示光柵 7-場鏡場鏡 8-反射鏡反射鏡52(a)465(b)67184132分光式讀數(shù)頭分光式讀數(shù)頭 分光式莫爾條紋讀數(shù)系統(tǒng)分光式莫爾條紋讀數(shù)系統(tǒng)適用于相位光柵適用于相位光柵。 為克服兩光柵間間隙變化造成的測量誤差，應使入射光束和為克服兩光柵間間隙變化造成的測量誤差，應使入射光束和出射光束對光柵成鏡像對稱，即出射光束對光柵成鏡像對稱，即滿足滿足 最小偏角條件。最小偏角條件。 由于多級

37、衍射效應通過限光狹縫后而大大削弱，因此這種讀由于多級衍射效應通過限光狹縫后而大大削弱，因此這種讀數(shù)頭數(shù)頭可選用較大的光柵間隙可選用較大的光柵間隙。 分光式光柵讀數(shù)頭光路系統(tǒng)圖分光式光柵讀數(shù)頭光路系統(tǒng)圖1-光電接收器光電接收器 2-狹縫狹縫 3-聚光鏡聚光鏡 4-指示光柵指示光柵 5-主光柵主光柵 6-聚光鏡聚光鏡 7-光源光源 8-分光棱鏡分光棱鏡12(a)435675713E(b)DC86BA鏡像式讀數(shù)頭鏡像式讀數(shù)頭 鏡象式讀數(shù)頭是鏡象式讀數(shù)頭是利用主光柵和它的鏡象產(chǎn)生莫爾條紋信號利用主光柵和它的鏡象產(chǎn)生莫爾條紋信號。 其優(yōu)點是可獲得其優(yōu)點是可獲得無間隙的莫爾條紋信號無間隙的莫爾條紋信號，無

38、指示光柵；可獲，無指示光柵；可獲得得倍頻信號倍頻信號輸出，提高了靈敏度。輸出，提高了靈敏度。(b)7鏡鏡式光柵讀數(shù)頭光路圖鏡鏡式光柵讀數(shù)頭光路圖1-光源光源 2-光電接收器光電接收器 3-主光柵主光柵 4-物鏡物鏡 5-反射鏡反射鏡 6-聚光鏡聚光鏡 7-析光鏡析光鏡7(a)651212343654調(diào)相式讀數(shù)頭調(diào)相式讀數(shù)頭 調(diào)相式讀數(shù)頭的工作原理是調(diào)相式讀數(shù)頭的工作原理是基于光柵信號的相位與固定不變基于光柵信號的相位與固定不變的基準信號作比較而進行測量的的基準信號作比較而進行測量的。因此，在較差的工作條件。因此，在較差的工作條件下也能測得柵距的一個很小分數(shù)值。下也能測得柵距的一個很小分數(shù)值。

39、調(diào)相式光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較復雜，但可獲得調(diào)相式光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)較復雜，但可獲得很大的細分數(shù)很大的細分數(shù)。61. 3-光電接收器光電接收器 2-主光柵主光柵 4-基準光柵基準光柵 5-析光鏡析光鏡 6. 9. 10-聚光鏡聚光鏡 7-圓柱光柵圓柱光柵 8-光源光源 11-橢圓反射鏡橢圓反射鏡 12-多邊形反射鏡多邊形反射鏡 13-反射棱鏡反射棱鏡1284（a）75324（b）9113110112386 。通?？蛇x用。通?？蛇x用CCD、PSD、陣列式光電二極管等接收、陣列式光電二極管等接收器件接受光斑，整個系統(tǒng)需經(jīng)過標定后才可確定光斑的位置器件接受光斑，整個系統(tǒng)需經(jīng)過標定后才可確定光斑的位置變化量。變化

40、量。 PSD是一種非線列非面陣的連續(xù)分布的是一種非線列非面陣的連續(xù)分布的其工作原理就是基于其工作原理就是基于。橫向光電效應：橫向光電效應：又稱側(cè)向光生伏特效應或殿巴效應。又稱側(cè)向光生伏特效應或殿巴效應。半導體半導體光照部分吸收入射光子能量后產(chǎn)生電子空穴對，使該部分載流子濃度高光照部分吸收入射光子能量后產(chǎn)生電子空穴對，使該部分載流子濃度高于未被光照部分，而出現(xiàn)載流子濃度梯度，形成載流子的擴散。由于電于未被光照部分，而出現(xiàn)載流子濃度梯度，形成載流子的擴散。由于電子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分擴散，致使光照部子遷移率比空穴的大，因此電子首先向未被光照部分擴散，致使光照部分帶正電，未被光照部分帶負電，使兩部分間產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分帶正電，未被光照部分帶負電，使兩部分間產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。 一維一維PSD的工作原理：的工作原理：當光束入射到當光束入射到PSD光敏層上距中心點光敏層上距中心點的距離為的距離為x時，在入射位置產(chǎn)生與光輻射成正比的信號電荷，時，在入