当前课程知识点：光电仪器设计 > 第8章 标准器 > 8.6 光栅尺参数设计和误差 > 8.6 光栅尺参数设计和误差
大家好 通过前面的学习
大家已经知道
光栅读数头和光栅配合使用
构成了光栅尺测量系统
这一小节课
我们介绍光栅尺自身参数的设计
和光栅尺的误差
首先来看光栅尺参数
最重要的是光栅的栅距
当前位相型光栅常用的栅距范围是
0.004到0.1毫米
振幅型光栅常用的范围
是0.01到0.05毫米
光栅尺测量系统的分划值τ
就可以表示为d/mn
其中d是光栅栅距
m是衍射级次
n是莫尔条纹的细分数
从这个式子我们可以看到
光栅栅距越小 测量精度就越高
但是这受到光栅加工工艺的限制
如果测量系统的设计精度定了
栅距取比较小的值
那么细分数就可以减少
反过来如果栅距大 则细分数必须大
栅距选得过小 加工难度大 成本高
另外一方面细分数也有限制
不可能无限的高
因此在设计参数时
需要根据具体条件
综合考虑栅距和细分数
第二项参数是光栅刻线宽度和长度
对于振幅型黑白光栅而言
刻线宽度是栅距的一半
而对于位相型光栅
刻线的宽度要考虑闪耀条件
刻线长度一般根据
莫尔条纹宽度B来确定
在此基础上再加上一个Y的余量
这个余量一般是1或者2毫米
大家注意B是莫尔条纹的宽度
是栅距乘以莫尔条纹放大因子
得到的结果
第三项参数是基体尺寸
如果是玻璃基体
为了保证光栅有足够的刚度
长光栅的长度和厚度之比
一般要在10:1到30:1之间
而如果是金属基体
长厚比可以做得比较大
最后一个要注意的参数是
两个光栅之间的间隙
为了提高莫尔条纹的对比度
间隙应该小一点
但是靠得太近 移动时容易擦伤
因此要选择一个合适值
在小间隙状态工作时
间隙一般取3到5倍的光栅栅距
在大间隙状态工作时
间隙取栅距平方和波长的比值
大间隙和小间隙怎么界定
这和莫尔条纹的衍射级次有关
细节可以在咱们这个课程的参考书
《光电精密仪器设计》中找到
这儿我们就不展开说了
下面再介绍一下
光栅尺系统中一项相对较新的技术
零位系统和绝对位置测量
在普通光栅尺测量系统中
对莫尔条纹的移动
仅仅进行计数和相位细分
再来得到位移
但这个只是相对位移量
没有确定的零位
换句话说
普通光栅测量时零位是任意的
每次测量通常以测量起始点为零位
所以每次都不一样
这种情况在遇到停电 停机
或者其他中断运行的意外情况时
就失去了参考位置
需要进行重新测量
这和普通干涉仪测量位移是类似的
为了克服这个缺点
一种方法是给光栅做上零位标记
在光栅条纹的边上增加一条刻轨
在刻轨上刻上零位标记
具体怎么来实现呢
一般是刻上一组不等间隔
不等宽度的黑白线条
由于线缝的挡光作用
光栅移动到这个位置时
透过的光通量发生变化
如下面这幅图所示
透光量的峰值点就可以作为零位标记点
这个位置对于光栅尺来说是固定的
因此这就是绝对的零位标记
解决光栅尺只能测量相对位移这个问题的
另一种方法是
在刻轨上刻上若干距离编码点
不同编码点之间的间隔是不相等的
当光栅移动时
测出相邻编码点之间的间距
就能定位出目前处于哪一个区段
从而来得到绝对位置
最后我们再介绍一下光栅尺的测量误差
首先是光栅的刻度准确性
之前我们介绍莫尔条纹的时候提到过
莫尔条纹有平均栅距误差的功能
但是这个平均是短周期的误差
好比100条栅线构成的莫尔条纹
能够把这个100条栅线的误差平均了
但如果是更长周期的误差
就没有办法平均
后期还需要进一步进行误差修正
通过多读数头的方法也能够有效地减少
光栅刻划误差对测量精度的影响
第二个方面是要提高光栅制作的工艺
来减小杂散光的影响
第三个方面是信号处理部件的质量
在对莫尔条纹计数时不能出错
对相位细分时要提高测相的精度
第四个方面是
扫描光栅移动时造成的误差
这个和安装有关
比如说安装的时候要防止应力和变形
要设置调整环节
此外还需要考虑减小阿贝误差
比如采取滑板和标尺同高
安装面和导轨平行等等措施
下面对这一小节的内容做个总结
我给大家介绍了光栅尺参数的设计
包括栅距 刻线宽度和长度
基体的尺寸以及间隙等等
第二个方面是光栅尺的零位和绝对编码
这个技术解决了光栅尺
只能测相对位移的问题
最后一个方面是光栅尺的误差
也请大家了解和掌握
这节课就讲到这儿
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
