钢圈反射式光栅信号的补偿

　　1　引　言

　　钢圈反射式光栅是将光栅刻划在金属环外侧环面上的一种光栅，其信号提取采用非接触反射方式。德国HEIDENHAIN公司的钢带光栅和英国RENISHAW公司钢圈式光栅均是在金属基底上刻划光栅，且均采用反射式提取光栅信号的方法，其多应用在轴系要求中孔直径比较大的地面设备中，如空间探测用望远镜，其测角的分辨力可达0.001　2″。我国在光学透射式角度传感器方面的研究已经有了50多年的历史，测角分辨力可达0.07″，测角精度可达0.2″。国内大型经纬仪多采用光学轴角编码器作为位置反馈元件，对于金属反射式光栅的应用研究还处于初级阶段[1]。

　　为提高测角精度，通常需要对光栅信号进行插补细分。理想情况下，要求细分输入的两路正弦信号幅值相等，直流电平一致，相位差为90°，而实际光栅信号受到轴系精度、光电信号提取精度和电子学处理引入的噪声等多方面因素的影响，提取的光栅信号存在直流分量误差、信号幅值误差、相位误差、谐波分量误差、噪声误差和量化误差等，其中直流分量、信号幅值、相位不正交等引起的误差是影响细分精度的主要因素。以往的文献论述中多采用硬件方法对直流电平和信号幅值进行调节，对于相位的补偿采用事先测量相位差，再通过查表进行补偿[2-4]。本文提出对光栅信号的幅值、直流电平和相位差等3方面的误差补偿均采用软件计算的方法，基于计算出的偏差量，实时修正误差，使进入细分程序的两路光栅信号具有良好的正交性，以便提高细分的精度。由于钢圈反射式光栅结构是金属圆环形式的，适用于轴系径向尺寸有限，而中孔又相对要求较大的结构设计形式。同时，其抗振性能要大大优于玻璃基底的光栅码盘，克服了玻璃码盘受到大的振动后易碎的致命缺点，具有很高的可靠性，因此应用前景看好。

　　2　光栅构成及工作原理

　　钢圈反射式光栅的结构如图1所示，它由金属光栅环、非接触式读数头和信号处理电路组成。

　　光栅是在不锈钢圆环外侧的柱面上镀金后，采用激光光刻的方法刻上光栅暗条纹，剩下的镀金部分组成光栅的亮条纹，并由非接触式的读数头读取光栅莫尔条纹信号，根据信号移动的周期数和在一个周期中信号的相位关系来确定角位移信息。

　　反射式光栅的读数原理如图2所示，读数头中红外发光管发出的光照射到金属环带的光栅上，当光栅环与指示光栅产生相对运动时，将反射的光线切割成强弱变化的莫尔条纹光信号，经光电接收器转换成相位相差90°的G0、G90、G180和G270等4路电信号。