光栅莫尔条纹技术的发展

作者：成都工具研究所 羡一民

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 光栅莫尔条纹技术是一门既古老又现代的测量技术。对莫尔条纹的研究最早可以追溯到十九世纪末期，二十世纪五十年代以后开始应用于实际测量，并逐步对莫尔条纹的形成机理开展了广泛的研究，至今已形成了三种主要的理论：（1）基于阴影成像原理：认为由条纹构成的新的轨迹可表示莫尔条纹的光强分布；（2）基于衍射干涉原理：认为由条纹构成的新的光强分布可按衍射波之间的干涉结果来描述；（3）基于傅立叶变换原理：认为形成的莫尔条纹是由低于光栅频率项所组成。这三种理论都可以较完满地解释莫尔条纹现象。一般来说，第三种理论是一种广义的解释。光栅条纹较疏的可直接用遮光阴影原理来解释，而光栅条纹较密的用衍射干涉原理来解释则更为恰当。 上世纪六、七十年代，由于光栅制造工艺的改进以及电子技术的发展，能够批量提供廉价的光栅产品，并出现了电子细分技术，使光栅的分辨率和精度能够适应现代计量的要求，莫尔条纹技术得到迅速推广应用，且出现了许多崭新的光栅莫尔条纹测量技术。 传统的四场扫描光栅系统（成都工具研究所开发的光栅传感器均属这种系统）由于受污染影响较大，已逐渐被准单场扫描和单场扫描系统所取。准单场扫描系统的指示光栅由两个相位不同的光栅组成，标尺光栅（主光栅）反射后由四个光电池接收，得到相位差为90°的4个莫尔条纹信号；单场扫描系统采用栅距与主光栅略有不同的一个大光栅组成指示光栅，用栅状光电器件接收信号。这两种结构中，由于都使用一个扫描场，光栅上的局部污染对各组信号的光强影响大致相同，大幅度减少了因污染造成的测量误差。这二种扫描系统都属于成像扫描原理，是目前广泛应用的光栅系统。 1987年，Haidenhain公司推出了一种干涉扫描系统，该系统中，标尺光栅和指示光栅均采用相位光栅，通过合理设计光栅线纹高度方向的形状来控制衍射的级次和相位，莫尔条纹由输入光两次衍射后的干涉光形成。干涉扫描系统是一种高精度、高分辨率的光栅系统，如Haidenhain的LIP382，测量长度270mm，分辨率1nm，精度0.1μm。 为保证形成莫尔条纹的质量，避免阴影与衍射并存，莫尔条纹系统采用的光栅栅距明显向两端（疏或密）发展。在成像扫描系统中，认为光线完全是直线传播的，符合几何成像原理，采用的光栅栅距一般大于20μm；而在干涉扫描系统中，系统完全处于衍射、干涉状态，使用的光栅栅距一般小于8μm。由于干涉扫描系统采用了远心成像和Fraunhofer衍射系统，使光栅副能够工作在大间距状态（甚至接近1mm），且间距的变化对信号幅值的影响很小，调整系统时，完全不必像过去那样去寻找Frensnel焦面，这对于实际测量是极其有利的。 为适应数控机床的需要，绝对式光栅正成为发展趋势。绝对式光栅是在增量光栅上设置绝对轨，在绝对轨上设计了用不同距离编码的一系列零位光栅，使用时通过探测相邻零位光栅的距离来确定绝对位置，与绝对轨配合使用的EnDat双向数据接口除可判断绝对位置外，当光栅出现故障时还能即时向数控机床发出报警信号，以保证加工的安全性。 光栅线纹的位置精度和一个信号周期内的线纹质量是影响光栅精度的主要因素，通过对光栅制造环境的严格控制和采用特殊的二维刻蚀工艺以及单场扫描的平均效应，目前光栅的精度已可达±0.1μm/m，在一个条纹周期内误差小于1%。优异的莫尔条纹信号是高倍细分的前提，Haidenhain光栅产品的最高细分数可达4096。 上世纪九十年代出现了二维光栅，其线纹是网格状的，可以同时进行两个方向的测量，是一种新型的光栅系统。如PP271R、PP281R光栅的精度为±0.1μm，系统可以直接利用X—Y工作台作为坐标系统，也可以用于检测数控机床的插补误差（KGM182）。 由于光栅莫尔条纹技术的不断发展，光栅传感器已成为一种可与激光干涉仪媲美的测量仪器，目前除测量精度不及激光干涉仪外，在测量成本低、测量速度高（480m/min）、测量范围大（100m以上）、受环境影响小等方面都是激光干涉仪所不及的。可以预见，随着技术的不断进步，光栅莫尔条纹技术的应用必将日益广泛。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/6/2005)