粗光栅线位移测量系统细分误差补偿前后的精度分析

　　1　引言

　　粗线纹光栅线位移测量系统为光电变换数字显示系统,传感头中的红外光经一组透镜后垂直照射在粗线纹光栅尺上,光栅尺栅距为0·635 mm,线纹象反射回传感头,在专用固体成象器件CG200上成像并被转换为电信号,经电路处理形成正弦形相位调制信号,信号的周期变化量与位移量成正比,经动态鉴相、细分等电路处理,即可显示出位移量[1]。它作为大量程、高精度、性能稳定的直线位置数字检测系统,在各类机床上得到了广泛的应用,特别是消除了细分误差后,在精密机床上有很大的应用前景。从表面上看,由测量装置检测到的误差是随机误差,实质上包含着两个组成部分:测量系统的线性误差(包括阿贝误差和其它系统误差)和呈周期性变化的细分误差。前者主要是安装误差,在消除细分误差后,由于其变化在局部范围是线性的,可以由软件加以补偿;后者则由系统固有的原理性误差引起,是可以从硬件上加以消除的本底分量[2]。为了分析其误差特性,本文先对系统未消除细分误差时的实验数据进行精度分析,然后分析细分误差与本底噪声的相互关系及其规律,最后考核细分误差修正后的系统精度。

　　2　细分误差消除前的系统精度分析

　　在高精度气动滑台上,利用Heidenhain高精度光栅作为基准线纹尺,该基准系统分辨率为0·1μm,精度为±0·2μm,对未作细分误差补偿前的数显器作系统精度测量,测量长度为720 mm,每隔20mm测量一次,实验数据如表1所示[1]。仿照“机械电子工业部机床司专业内部标准(JB/GQ 5053—88):磁栅线位移传感器试验方法”,从数显表中取等间隔(10 mm或20 mm)的取样值,记录的数据与理论值的差值称为该点的示值误差,取有效长度范围误差的一半冠以“±”号即为准确度。认为该点即为系统的精度。

　　从表1可见,系统的精度为±[15-(-4)]/2=±9·5μm≈±10μm。因此,未加修正前,矩形光栅系统属丝级精度。且从测量数据的误差值δi可见:误差值时大时小,存在着严重的细分误差。

　　3　细分误差与系统本底噪声的关系

　　从文献[2]中的分析可知,系统呈周期性变化的细分误差由本底噪声νn产生,νn的大小直接影响细分误差的大小。本文采用如图1的电路来消除νn。

　　将S脉冲νs(t)通过单稳调相器,调整W1可移动相位,使之与νn同相,通过占空比1∶1发生器便可产生标准方波;通过低通滤波器,方波即变成正弦波;通过W2调整其幅值,便可产生与νn大小相等、方向一致的补偿正弦波νn。(Ms+νn)是含有噪声的调相正弦测量信号,将其与补偿正弦波ν′n差分后,即可得到消除本底νn的Ms的信号。图2所示为示波器上观察到的补偿前后的本底噪声波形。在实验中有意调整ν′n的大小,可以得出本底噪声大小与系统细分误差大小的关系,从而得出其关系曲线。图3为不同νn对应的细分误差曲线。