超过周期的量程则用连续的增量式测量

超过周期的量程则用连续的增量式测量

在大量程、高精度的位移测量场景中，当被测对象的移动范围超过了单个测量周期（如光栅的一个栅距或干涉仪的一个波长）时，必须采用绝对式与增量式相结合的策略。其中，“超过周期的量程则用连续的增量式测量” 是解决这一问题的核心技术思路。其原理是：先通过粗测（如低精度编码器）或参考标记确定被测物所处的“大周期”整数部分（即绝对位置所在的“周期区间”），然后在该周期内，利用光栅、激光干涉仪等高精度传感器进行连续的、仪器检测级别的增量式测量，以精确确定“周期内”的微小位移（即小数部分）。通过实时累加每个周期的增量值，并与初始的绝对周期数相结合，系统便能实现对整个超大量程范围内任意位置的、高精度、无累积误差的仪器检测与定位。

光栅尺的测量准确度受两类偏差影响：一是在其整个测量长度上的累积性位置偏差（如刻线误差、热变形导致的误差），二是在单个光栅信号周期内的局部位置偏差（如细分误差）。对准确度的量化评价，以海德汉（Heidenhain）公司的定义为代表：在任意1米测量长度内，位置偏差的最大值Fmax（基于平均值计算）均落在±a微米范围内，则±a即为其准确度等级。在实际高精度、大量程的位移仪器检测中，为解决超出单个信号周期（栅距）的超长距离测量问题，普遍采用“超过周期的量程则用连续的增量式测量”这一核心方法。该方法通过精确累计每个周期内的增量位移，并与绝对参考点相结合，从而在整个量程上实现高精度、无模糊的定位。

Heidenhain仪器校准准确度等级划分为：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可见，Heidenhain光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的一个要求，目前还没有一家厂商能够达到这一水平。 现在Heidenhain玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用20μm和40μm，对衍射光栅栅距采用4μm和8μm，光学二倍频后信号周期为2μm和4μm。Heidenhain要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为±1%，闭式光栅仅为±2%，光栅信号周期及位置偏差见表2。

表2 光栅信号周期及位置偏差 光栅类别——信号周期(μm)——一个信号周期内的位置偏差(μm) 几何光栅——20和40——开启式光栅尺±1%，即±0.2——±0.4；封闭式光栅尺±2%，即±0.4——±0.8 衍射光栅——2和4——开启式光栅尺±1%，即±0.02——±0.04；封闭式光栅尺±2%，即±0.02——±0.08 (2)信号的处理及栅距的细分 光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量。

为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有一定的要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数(倍频数)和测量分辨率(测量步距)。