摘 要：本文介绍了光栅测长仪的结构、测量原理及光栅测长仪的测量误差进行了研究和分析，对研究光栅测长仪的长度测量有一定的帮助。

关键词：光栅测长仪 测量误差 分析 研究

1、概述

自本世纪五十年代初光柵技术引入长度计量领域以来，由于光栅式测量系统具有的许多优点，所以目前在线值测量、角分量测量、位移量同步比较测量以及机床数控等各个方面得到了广泛的应用，具有很高的实用价值。计量光栅技术的发展，促进了长度计量领域内数字显示、自动测量、动态测试及微机控制等技术的发展。

误差是计量测试和仪器制造领域的重要研究内容之一。由于它能够在成本增加较少的情况下大幅度地提高测量精度，所以受到了广泛的重视。特别是在加工精度越来越高的今天，误差分离与修正技术已成为实现高精度测量的常用方法。

2、光栅测长仪结构及测量原理

光栅测长仪主要由光栅尺、控制板、光栅数显表、导轨、滑块、刚带、电机驱动系统、光栅信号输出线、基座和工作台组成。光栅测长仪的测量原理图如图1所述，光源发出的光照射到标尺光栅上，当标尺光栅与指示光栅相对平行移动时，在四个光电元件上产生彼此相差90°的四路信号。四路信号两两相减，消除信号中的直流电平，得到两路相位差为90°的正弦信号，然后将它们送入数显表的电子细分和辨向电路，实现对位移的测量。信号电缆送入光栅数显表进行放大、整型、细分、辨向、方位辨识、计数译码，最后实现数字显示。

图1 光栅测长仪的测量原理图

3、光栅测长仪的测量误差分析

光栅系统为测长仪的标准量部分，由于其本身及测量机机体、导轨系统、刚带、控制系统等动态误差源的综合影响，光栅系统的读数误差反映测量机的动态误差，此项动态误差也是本文研究的重点。

莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的。对光栅的刻划误差有平均作用，很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响，个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。虽然莫尔条纹对刻划误差具有均化作用，但是，光栅测量系统仍存在一些测量误差，主要包括以下几个方面。

3.1 标尺光栅误差

标尺光栅误差主要包括两方面，即栅距误差和刻划时的均匀性误差。莫尔条纹对光栅栅距误差具有平均效应，因而栅距误差可以忽略。均匀性误差是指光栅元件各部分透光量不均匀所造成的分度误差，如果整形电路采用过零触发，则当栅线质量和尺面质量不好而使信号直流电平有变化时，由此引起的分度误差。

3.2 光栅副误差

光栅副误差主要包括四方面，即光栅副间隙 带来的误差、光栅副刻线夹角偏差 引起的误差、 偏转与 偏转对信号的影响、 平移对信号的影响。

光栅副的间隙误差 的存在，将会引起信号调制度的变化和直流电平的相对变化，从而给光栅系统的测量带来误差。

光栅副刻线之间的夹角偏差 ，也会引起信号调制度的变化，而且，它还会引起信号正交性的变化，从而给光栅测量系统带来误差。

若 偏转轴x与通过某相光阑中心的光轴垂直相交于一点，则运动光栅偏转 后，此相光阑前方的光栅平均间隙等于偏转前的原始间隙，若偏转轴x与偏转轴y不交于一点，从而引发平均间隙的变化。

平移对信号的影响， 使横向莫尔条纹在y方向平移，直接引起 的测量误差。

3.3 电子系统误差

光栅电子系统是光栅量仪的重要组成部分，它决定了系统的分辨率和系统精度，这部分误差主要有细分误差、电路稳定性及可靠性误差两项，其中电路稳定性及可靠性的误差是随机的，可通过多次测量的平均来克服或减小。细分误差为电子系统质量的关键。以细分电路是采用移相电阻链细分方法实现的光栅量仪为例，其送入乘法器的原始信号的正弦、余弦信号的质量，即含有残余直流电平，高次谐波对称性、正交性等都会影响相位差，从而带来细分误差。

3.4 温度误差

随着现代测量的精度要求越来越高，温度误差在测量总误差中的比重越来越大，对温度误差的测量越来越受到人们的关注。在光栅测量系统中，温度误差主要包括光栅尺的温度变形误差光栅尺线膨胀系数误差测温误差温度场不均匀误差。在一定的测量条件下，光栅测量系统的温度误差主要表现为第一项，即光栅尺的温度变形误差。

4、总结

计量光栅是一种利用光栅的莫尔条纹现象进行长度和角度测量的传感器，作为一种将机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅位移测量技术在长度与角度的数字化测量、仪器仪表、计量技术、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用，如三坐标测量机、测长仪和程控机床等。然而这些系统都是在动态条件下进行测量或加工的与测量误差的评定与分析有很大的关系。这也是误差修正及动态精度理论研究的基础性和探索性工作。该方向的内容涉及的面广而且深，由于时间及能力的有限，还有很多工作需要进一步深入研究。

参考文献：

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作者简介：

冀红，性别：女，出生年月：1968年11月20日，职称：工程师，工作单位：沈阳计量测试院，研究方向：测绘仪器、光学仪器、验光设备。