绝对长度测量光栅及误差修正的研究

　　用光栅作为传感器的长度测量系统自60年代以来,就广泛用于自动定位、机床以及坐标测量仪中的位移测量。长光栅分为增量式和绝对式两种,增量式光栅一般用等距刻线,测量范围内任—位置可作为相对零位,测量时首先需确定零位;绝对光栅可在测量范围内对每个任意点准确测定其位置,而无需原点基准。绝对测量光栅的刻线设计成一系列平行的代码痕道,代码痕道以二进制条形码和灰色码的形式确定位置信息。

　　增量式光栅测量系统的缺点是:在有干扰或测量系统出现故障时易丢失位置信息,因此需在测量范围内利用一附加参考标尺,而测量精度要取决于标尺精度及光学放大系统。通用的绝对测量系统缺点是分辨率较小,在测量系统中,当扫描平行代码痕道时,会出现由一个编码状态进入下一个编码状态之间有不可定义状态,这就会导致测量误差。针对这一绝对测量系统的缺陷,本文研究一种绝对光栅测量系统,在两个相邻编码之间,利用插值原理进行细分,从而大大提高系统的分辨率,利用补偿原理使结构调整更加简单,从而提高了系统的测量精度。

　　1　测量系统的结构原理

　　绝对光栅的测量原理是采用线阵电荷耦合器件CCD,对光栅上的斜刻线进行扫描,通过检测刻线位置来判断光栅尺所处的绝对位置。图1描述了单刻线扫描测量原理,光栅尺沿测量方向左右移动,其上的斜刻线与CCD列阵线交叉点沿CCD列阵线上下移动,CCD传感器测得的位移与被测量之间的关系为:

　　被测量S的位移与传感器所测的位移Sm以传递系数K相关,因此该测量系统可称为传递测量系统。

　　2　条形码传递测量系统

　　仅对一条刻线进行扫描时,测量范围会受被扫描线长度限制,因此采用许多相互平行的刻线结构,传感器可同时扫描多条刻线(图2),如果刻线间距编排规律沿传感器接收方向以条形码规则排列,则可得到绝对位置的编码[1]。在此必须保证传感器接受到的条形码信号不能重复,且对于每一个信号都对应于一个准确的绝对位置。

　　在CCD传感器对刻线进行扫描时，存在由于结构原理和调整而产生的误差,而这些误差在条形码刻线传递系统中往往难以识别和修正,它主要由下列单项误差形式合成,为简单起见,以单刻线为例。

　　(1)传感器在扫描方向的位移误差(图3):当传感器在扫描方向移动ΔSm时,在测量方向产生误差ΔS,升角α越小,对S的影响越大。

　　(2)传感器绕光轴旋转:当旋转传感器时,被扫描刻线会变粗或变细;升角α越大,这项误差也就越大(图4),误差计算如下: