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1、（2014 年 6 月 23日科研训练论文 ( 文献综述 ) 学校代码： 10128 学号：题目 ： 光 栅 式 位 移 测 量 技 术 综 述学 生 姓 名 ：学院 ： 机 械 学 院系别 ： 测 控 系专业 ： 测 控 技 术 与 仪 器班级 ： 测 控指 导 教 师 ：内蒙古工业大学科研训练论文(文献综述 ) 1 光栅式位移测量技术综述摘 要：光栅式位移测量技术具有其他测量技术不具备的独特优点,基于干涉的光栅技术可以获得比几何莫尔术更高的测量准确度、更高的分辨率, 在诸如微电子、超精加工、生物工程等众多领域有广泛的应用前景。本文围绕光栅式位移测量技术的基本原理，介绍了光栅莫尔条纹位移测量
2、法以及光栅干涉位移测量法的原理，对几个光栅测量系统：经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2 次莫尔条纹的光栅测量系统的测量原理进行概述，并说明了各系统的关键问题及不足之处。对介绍的测量方法进行综合比较之后，总结了光栅测量的关键问题，并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。关键词 ： 光栅原理；干涉；莫尔条纹；位移测量；测量与计量1、引言几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微/ 纳米技术、微型机电系统等
3、的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。纳米测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的关键技术之一, 是整个纳米科技领域的先导和基础, 是当前计量科学领域的重要课题。作为能够实现纳米级位移测量的技术之一, 光栅技术具有其他传统测量技术所不具有的独特优点，使其广泛应用于生活生产的各个领域。从 20 世纪 50 年代到现在， 随着激光技术在精密位移测量中的应用，光栅式位移测量技术有了高速的发展。2、光栅式位移测量技术概述位移是工程生产中比较重要的物理量之一，尤其是在数控加工方面精密位移的测量变得尤为重要。 随着社会科学技术的高速发展， 工程生产中对于位移测量的要求也逐渐变得苛刻起来
4、。 位移测量尤其是精密位移的测量在这种环境之下急切地需要新的理论和方法的发现来发展和提高自身。直到18 世纪法国研究人员莫尔先生发现了一种光学现象莫尔条纹和19 世纪初光的干涉现象的发现，这两项重大的发现使得位移测量技术的高速发展， 最后导致了光栅式位移测量技术的出现。该项技术的出现使精密位移测量进入一个崭新的时代，同时也造福了全人类。内蒙古工业大学科研训练论文(文献综述 ) 2 2.1 光栅技术的发展历史从 20 世纪 50 年代至 70 年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这 5 种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像
5、激光一样的光波波长， 而是通用的米制 ( 或英制 )标尺。它们有各自的优点， 相互补充， 在竞争中都得到了发展。 但光栅测量系统的综合技术性能优于其它 4 种，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过 80% ，光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从 60m/min至 480m/min。测量长度从 1m 、3m至 30m和 100m 。2.2 光栅技术国内外现状世界上生产用于数控机床的光栅传感器的主要企业有德国HEIDENHAIN、西班牙FAGOR 日本三丰（MITUT
6、OYO） 、 SONY等，规模最大的、技术水平最高的是德国HEIDENHAIN。我国现在的光栅产品只能用于静态测量，主要是手动数显机床，我国年产60 万台机床中有 30% 安装了国产光栅测量系统。现在还没有用于数控机床的钢带光栅尺，也没有绝对式光栅尺。 可以说，我国光栅传感器和国外一些知名光栅传感器制造商如德国 HAIDENHAIN 等的差距至少在 20 年以上。所以我国的光栅技术的研究和发展需要努力地提高，以缩小与国外科学技术的差距。3、光栅位移测量原理及几种测量系统说明3.1 光栅式位移测量技术原理光栅莫尔条纹法是以光栅的栅线间距作为测量基准，其由光源、标尺光栅、指示光栅、光电探测器及信号
7、处理电路组成。其中，标尺光栅与基座相连接；光源、指示光栅、光电探测器及前置处理电路通常被集成在一起，作为读数头与运动部件相连接，运动方向沿着标尺光栅工作面的方向，且与标尺光栅栅线方向垂直。在该装置中，标尺光栅与指示光栅的栅线间距是相等的，两光栅相互平行，栅线方向的交角为。当光源发出的光线垂直入射到标尺光栅上时，由于光栅栅线的遮挡，光线被调制成了与栅线间距等宽的条纹，被调制后的光线再经过指示光栅的调制则内蒙古工业大学科研训练论文(文献综述 ) 3 会在指示光栅的另一侧形成与运动方向成 /2 角度的条纹， 该条纹即莫尔条纹。 设栅线间距为D，则莫尔条纹的宽度为：（ 3.1.1）当两光栅相对移动一个
8、栅线间距，则莫尔条纹也相应移动一个周期，由式(3.1)可知，若 较小时， W D，则该方法对被测位移具有很强的放大作用，从而可以提高位移测量的分辨率。光栅莫 尔 条 纹 法 的 优 点 是 在 保 证 较 高 测 量 精 度 的 情 况 下 获 得 很 大 的 测 量 范 围 ， 例 如 德 国HEIDENHAIN公司开发的封闭式系列光栅尺可在30m 的测量范围内达到0.01mm 的测量精度。另外，其安装简单，对环境的适应能力强，因此常被应用在数控机床刀具的定位与工厂自动化的在线测量等方面。但是，由于光的衍射效应的存在，光栅的栅线距离不能太小，从而限制了其分辨率的进一步提高。光栅干涉位移测量技
9、术是光栅衍射与激光干涉相结合的一种技术。从表面上看，光栅干涉位移传感器与光栅莫尔条纹位移传感器十分类似，但是，在原理上有着本质的区别，光栅莫尔条纹位移传感器利用的是光的几何特性，光栅干涉位移传感器利用的是光的波动特性。目前，光栅干涉位移传感器发展出了多种结构形式，其中海德汉公司的LIP 系列光栅尺 是其中最典型的代表。在这种光栅尺中，阶梯状光栅作为测量基准，阶梯状光栅的前面是扫描掩膜，其栅距与阶梯状光栅的栅距相同，它是透射式相位光栅。光束穿过扫描掩膜时被衍射为光强均等的-1、0、+1 三束光，这三束光到达阶梯状光栅后又分别被衍射，之后再次被扫描掩膜衍射，最后由透镜汇聚，产生三个较强的干涉场。当
10、阶梯状光栅与扫描掩膜发生相对移动时，干涉场的强度会相应的变化，用光电探测器探测干涉场强度的变化，经过电路的处理即可得到相对的移动量。3.2 经典双光栅位移测量技术双光栅测量技术最早是由德国HEIDENHAIN 公司推出的，当时代表了国际上光栅位移测量技术的最高水平， 测量分辨率可以稳定地达到1nm。这种方式构成的系统主要采用了两根高线数的光栅，一根长度较短的集成在读数头中，称之为参考光栅，另外一根较长的光栅单独封装，它的长度决定了测试量程范围，称之为标尺光栅。 此经典系统使用光栅常数比为2 的两根高线数光栅， 由独特的双光栅结构实现了光学4细分，使光学位移分辨率达到标尺光栅栅距的14，加上高倍
11、电子细分，使最终的位移分辨率达到 lnm，其测量范等于标尺光栅的长度。内蒙古工业大学科研训练论文(文献综述 ) 4 但是该系统在位移测量时也存在几个问题：(1)为获取莫尔条纹的高对比度， 第 2个光栅必须位于第1 个光栅的Talbot 平面内，且两光栅的间隙安装误差必须小于Talbot周期的 10； (2)测量范围取决于标尺光栅的长度，测量分辨率取决于标尺光栅的栅距， 由于受较长的高线数光栅制作工艺的限制，经济成本高， 进一步推广应用的难度较大等。3.3 非对称双级闪耀光栅测量系统为了解决大量程测量中灵敏度的问题，科学家提出了非对称双级闪耀光栅位移测量的方法，实质是用双级闪耀参考光栅来实现莫尔
12、条纹倍增。该系统利用粗细两根闪耀光栅组成位移测量结构，可以实现相当于粗光栅栅距口倍的条纹倍增。这种测量方法的条纹灵敏度等于细光栅的栅距，而量程由粗光栅的长度决定，很好地解决了高线数光栅不能做得太长所带来的问题，在不降低测量分辨率的条件下可实现大量程测量。但是该系统也存在一些问题：非对称双级衍射光的产生，要求光束的入射角必须在一定的偏差范围内，因此光路调整困难；受光栅制作技术的限制，光栅闪耀角难以精确控制，当闪耀光栅线数增加时，非对称双级衍射光的强度相差较大，影响条纹对比度，因此，实用的非对称双级闪耀光栅位移测量系统的光学分辨率受到限制；此外，细光栅之间的距离调整直接影响莫尔条纹的有无，因此对安
13、装要求苛刻。3.4 单光栅位移测量技术单光栅位移测量是利用单根大长度计量光栅，合理选取光束入射角， 借助光栅的两束任意高级次衍射光形成莫尔干涉条纹，进而构成具有高光学倍频数的光路系统。虽然理论上可以使用任意高级次衍射光，但由于衍射光功率随衍射级次的增加迅速减小，光源的选取必须满足系统信噪比要求。单光栅测量系统尽管量程与分辨力都能达到理想要求，但是精度上没有得到很好的实现。4、总结以上介绍的光栅位移测量原理中光栅莫尔条纹法发展比较早也比较成熟而广泛应用于各个领域。但是，由于光的衍射效应的影响，光栅的栅线距离不能太小，从而限制了其分辨率的进一步提高。而光栅干涉法虽然起步比较晚，但是，因其具有的高分
14、辨率、大量程、抗干扰能力强等优秀特性而广泛应用于工程实践中；几种光栅干涉位移测量方法，其中双光栅干涉系统由于要求高线数的标尺光栅，其量程不可能太大；内蒙古工业大学科研训练论文(文献综述 ) 5 非对称双级闪耀光栅测量方法由于对安装定位特殊要求，使用条件非常苛刻；在未来，光栅位移测量技术仍将是科学家们研究的热点问题，也必定能随着现代科学技术的发展而迅速壮大。同时该领域也仍然存在诸多要深入探索的问题，如：(1) 研究新的原理方法，包括新的光栅测量原理， 新的适合纳米测量的莫尔条纹细分方法，以及与其它位移测量方法相结合所产生的新方法等；(2) 进行误差理论的研究分析，如光栅衍射特性对测量分辨力和精度
15、的影响机理，光栅制作误差对测量精度的影响机理，温度等环境因素变化所引起的误差，电子细分误差等， 并在量化分析的基础上研究合适的补偿技术； (3) 与其他科学技术的结合程度，如：CCD 图像技术等。参考文献1 张善锤 . 计量光栅技术 M. 北京: 机械工业出版社 ,1985. 2 邱丽. 光栅莫尔条纹干涉计量及其应用研究D. 重庆: 重庆大学 ,2009. 3 何章宏 . 双光栅干涉位移传感器及其电路系统研究D 武汉：华中科技大学,2011. 4 刘莉. 光栅应用发展现状 J.长沙大学学报 ,2009,23 （5）. 5 王国超等 . 光栅干涉位移测量技术发展综述J. 激光技术 ,2010,34 （5）. 6 楚兴春等 . 大量程纳米级光栅干涉位移测量J.光电工程， 2008,35（1）.
