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光栅尺精确度与分辨率的区别

文章出处:作者:人气:发表时间:2016-11-30 16:16:56

光栅尺精确度与分辨率的区别


精确度(Precision)是指使用同种备用样品进行重复测定所得到的结果之间的重现性。测量精确度(也常简称精度)高,是指偶然误差与系统误差都比较小,这时测量数 据比较集中在真值附近。虽然精确度高可说明准确度高,但精确的结果也可能是不准确的。误差是准确度的表示,是实测值与真实值偏离程度,而偏差是精密度的表示,是平行测量间的相异程度。

  
准确度表示测量结果的正确性,精密度表示测量结果的重复性和重现性,精密度是准确度的前提条件。
普通意义的分辨率(resolution)就是屏幕图像的精密度,是指显示器所能显示的像素的多少。对于光栅尺而言是指可以测量的最小单位。
 


对于传感器的分辨率与精度的理解,
可以拿千分尺为例,
分辨率代表千分尺
最多可以读到小数点后几位,但精度还与尺子的加工精度,测量方法有关系。
  
同样的,在光栅尺的使用中,分辨率与精度是完全不同的两个概念。
 
光栅尺的分辨率,是指光栅尺可读取并输出的最小长度变化,对应的参数有:每毫米光栅刻线数、脉冲数、细分等。比如50线光栅和100线光栅在同等条件下分辨率就不一样,同等的50线光栅如果细分方法不一样分辨率也会不一样。
  
光栅尺的精度,是指光栅尺输出的信号数据对测量的真实长度度的准确度,对应的参数是微米(μm)、纳米(nm)。

目前国内光栅尺分辨率一般有5μm、1μm、0.5μm、0.2μm、0.1μm。那么这些分辨率是怎么得来的呢?
以每毫米50线光栅为例,经过4细分,就能得到很简单的5μm的分辨率,而不用采用电子细分,这也是目前国内机床尺的多数工艺,至于高分辨率的光栅尺,就必须采用电子细分技术,增加插补细分器才能得到。高分辨率光栅尺一般应用于仪器仪表如视频仪、工具显微镜、CNC加工中心等。
  
影响光栅尺测量精度有如下几个方面:
  
A:光学部分  B:机械部分  C:电气部分  D:使用中的安装与传输接收部分,使用后的精度下降,机械部分自身的偏差。
  
  
A、光学部分对精度的影响:
  
光栅玻璃—主要的是母尺精度、每毫米刻线数、刻线精度、刻线宽度一致性等。
  
光发射源—光的平行与一致性、光衰减。
 
光接收单元—读取误差、读取响应。
 
光学系统使用后的影响—污染,衰减。
   
B、机械部分对精度的影响:
 
安装精度。轴承的精度与结构精度。光学组建安装的精度。
 
  
例如,就轴承的结构而言,单轴承支撑结构的轴承偏差无法消除,而且经使用后偏差会更大,而双轴承结构或多支承结构,可有效降低单个轴承的偏差。
  
C、电气部分对精度的影响:
  
电源的稳定精度—对光发射源与接收单元的影响。
 
读取响应与电气处理电路带来的误差;
  
电气噪音影响,取决于光栅尺电气系统的抗干扰能力;
  
例如,如果电子细分,也会带来的误差,按照德国海德汉提供的介绍,海德
汉光栅尺的细分电气误差与正余弦曲线误差会有一个很小的差异。


D
光栅尺使用中带来的精度影响:

输出电缆的抗干扰与信号延迟(较长距离或较快频率下);
 
接收设备的响应与接收设备内部处理可能的误差。
 
光栅尺高速位移时的动态响应偏差。
  
最常见的就是我们自己使用安装的方法与安装结果带来的偏差。
 
 
综上所述,光栅尺的分辨率和精度其实是两个完全不同的概念,但是二者有关联,高分辨率可以得到高的测量精度,但不是高分辨率一定能得到高的测量精度。在同等条件下,理论上高分辨率光栅尺一定可以得到高的测量精度。  



电子细分与判向法


光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵,且制造困难。为了提高系统分辨率,需要对莫尔条纹进行细分,目前(2006年)光栅尺传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时,在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹,随着光栅的移动,莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。


在一个莫尔条纹宽度内,按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如,栅线为50线对/mm的光栅尺,其光栅栅距为0.02mm,若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲,这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量,即要检测其大小,又要检测其方向,因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波,通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端,从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2,为得到判向和计数脉冲,需对这两路信号进行整形,首先把它们整形为占空比为1:1的方波。然后,通过对方波的相位进行判别比较,就可以等到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数,可以等到光栅尺的位移和速度。