1、第七章标准量与标准器1第七章标准量与标准器 第一节计量标准概述 第二节标尺与度盘 第三节计量光栅 第四节光学编码度盘 第五节光波长23第一节计量标准概述 什么是标准器？长度计量标尺量块光波长第一节计量标准概述 长度基准的沿革4古埃及“腕尺”法老的小臂拐肘到中指尖之间的距离古中国“寸”布指知寸，布手知尺，舒肘知寻英国“英寸”3粒圆而干的大麦粒一个接一个排成的长度阶段以人体或自然环境为基准的实物标准5第一节计量标准概述1791年法国“档案米”经过巴黎的地球子午线周长的1/410-8为米并制成铂质米原器阶段基于自然量的人造实物标准1889年国际计量大会“国际米原器”恒温恒湿环境下的铂铱合金米尺（精度
2、0.1 mm）长度基准的沿革6第一节计量标准概述1960年国际计量大会氪86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍阶段自然量基准1983巴黎国际计量大会真空中光波在1/299 792 458s时间内传输的距离阶段基本物理常数定义 长度基准的沿革l 基准的两个特点 精确可靠 统一7第一节计量标准概述 国际单位制SI（Le Systme International dUnits）1960年第十一届国际计量大会决定将以米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)和坎德拉(cd)这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为“国际单位制”，并规定其符号为
3、“SI”。1974年的第十四届国际计量大会又决定增加将物质的量的单位摩尔(mol)作为基本单位。目前国际单位制共有七个基本单位：长度、时间、发光强度、质量、物质的量、电流、热力学温度8国际单位制词头因数词头名称词头符号因数词头名称词头符号英文中文英文中文1024yotta尧它Y1024yocto幺科托y1021zeta泽它Z1021zepto仄普托z1018exa艾可萨E1018atto阿托a1015peta拍它拍它P1015femto飞母托飞母托f1012tera太拉太拉T1012pico皮可皮可p109giga吉咖吉咖G109nano纳诺纳诺n106mega兆兆M106micro微微103
4、kilo千千k103milli毫毫m102hector百百h102centi厘厘c101deca十十da101deci分分d9第一节计量标准概述 标准器的定义和功能形式：实物量具、测量仪器或测量系统功能：用来定义、实现、维持或再生一个单位或一个甚至多个已知物理量值，经由比对将其传递至其它测量仪器范畴：一个具有高准确度且可做为一个标准的器具均可称为标准器精度等级：标准器误差是仪器误差的1/31/5 测量与计量测量：以确定量值为目的的操作计量：实现单位统一、量值准确可靠的活动 基准（标准）的建立、复现、保存和传递，测量方法及其精度估计，测量仪器精度检验等10第二节标尺与度盘 标尺（scale）定义
5、具有一系列平行刻线的直尺，可提供长度或线位移的量度广义地说，以光、电、磁等原理形成有一定空间间距的周期信号，并以此提供长度或线位移的量度的器件 标尺的材料金属玻璃/塑料11第二节标尺与度盘 标尺误差制造误差：刻线误差 取决于刻线机，可修正，需检定运行误差：温度变化误差 选择好的材料运行误差：重力变形误差 注意支点（2/9L）和端面形状 标尺精度等级一级（0.2+L(mm)/500）mm五级（3+L(mm)/100）mm12第二节标尺与度盘 度盘定义用于测量角度的分度圆盘在圆形零件的刻划面上以等分或不等分刻划来作为角度标准器的一种元件应用：经纬仪13第二节标尺与度盘 度盘误差刻划误差：制造误差
6、实际刻线偏离理想位置的角度量dj 刻线机误差D稳定在切向0.5 mm 度盘大，角度误差小01/()sin()nnnrVAAndjjjjjj D误差展开成傅里叶级数谐波分析起始理想实际14 度盘误差运行误差：安装偏心误差第二节标尺与度盘最大读数误差为maxeRD 如何消除?对径读数：消除偏心误差同时消除刻划误差中的奇次谐波分量15()()()2VVZjjj第二节标尺与度盘01()sin()nnnVAAnjjj16 度盘参数选择分划值：相邻两刻线张角 采用360、六十分制(1/2)，(1/3)，(1/6)，(1/10)，(1/12)，(1/15)，(1/30)考虑最小读数值 和读数测微器细分数nn
7、第二节标尺与度盘17 度盘参数选择度盘直径D 下限：刻划直径越大，刻划误差V(j)越小 上限：度盘直径受仪器尺寸限制 与读数光学系统相适应A：相邻两分划线的视见间隔，一般为12毫米：光学系统放大倍数 经验：金属度盘直径170300 mm光学度盘80250 mm2DA第二节标尺与度盘18 度盘参数选择刻线宽度b B为刻线视见宽度，取决于瞄准方式单实线重合瞄准时：B=0.1 0.15 mm单实线线端对准时：B=0.15 0.2 mm双线对称跨单线瞄准时：B=0.3 0.4 mm r为度盘刻划半径，b是刻线间隔的1/101/8左右 11108Bbr第二节标尺与度盘第三节计量光栅 光栅简介 莫尔条纹的
8、形成和特点 莫尔条纹的探测几何式光栅读数头衍射式光栅读数头 光栅尺信号处理*光栅尺的设计1920光栅的定义 物理光学课本又称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片 广义的光栅任何具有周期结构的、能对光起调制作用的光学元件21光栅尺的结构 德国Heidenhain商用光栅尺正视图侧视剖面图标尺（光栅）被测件安装在此 光栅周期 数十微米 问题 标尺太细怎么读数？22 光栅对：主光栅(main grating)+指示光栅(index grating)莫尔条纹几何光学解释 适用于 d=20-100 mm衍射光学解释 适用于 d 1
9、0倍光波长光栅周期 光波长 光栅相位移动定理光栅相对入射光沿垂直栅线方向移动Dxm级衍射光相位变化DjlDj 2m Dx/djj Dj无明显衍射有明显衍射Dx35莫尔条纹的衍射光学解释 C=d10mm 光栅方程sin=/C 对称衍射36莫尔条纹的衍射光学解释 三部分相位变化光程差（Optical path difference）通过扫描光栅 测量基准移动产生相移 W2 XCW 光栅相移定理37莫尔条纹的衍射光学解释 左侧第一个探测器红光：透0级反+1级透0级相位变化W+2绿光：透+1级反1级透+1级相位变化 W相位差 2W+2 衍射级次代数和相等的光束产生干涉2 XCW 光栅相移定理1rgrg
10、=2cos 22IIII IW左38莫尔条纹的衍射光学解释 衍射级次代数和相等的光束产生干涉 测量基准匀速移动，相位差W线性变化，探测器探测到按正弦规律变化光强信号1rgrg=2cos 22IIII IW左2 XCW 光栅相移定理粗光栅v.s.细光栅 横向莫尔条纹 衍射莫尔条纹3940衍射式光栅读数头 分光式在不同衍射方向上探测透镜2将不同衍射方向的光会聚到光电接收元件平面上不同的点光电接收元件间距=透镜2焦距 衍射光束偏离光轴角度分辨率和精度较高41 判向目的：判别光栅移动方向，测量往复运动位移大小方法：判向电路 细分目的：提高分辨率方法 减小光栅周期 电子细分 移相细分光栅尺的信号处理42
11、光栅尺信号处理：判向 原理获取相位相差/2的两个信号相对超前或落后表明运动方向 信号获取方法几何式：探测器相距B/4放置衍射式：设计扫描板，使得 信号处理电路判向电路2/2 M1M2莫尔条纹ACBDBB4几何式信号超前或落后tI参考超前落后正向反向43判向电路 u1-计数方波；Ua-计数脉冲；Ub-反向计数方波；Uc-反向计数脉冲；u2-门控方波；Y1,Y2-加/减计数 与门44判向电路各点信号u2u1UbUaUc加减反向正向u2u1UbUaUc加减45光栅尺信号处理：细分 几何式移相细分增大光栅对之间的距离 使信号接近正弦在相距 B/4 的位置放置探测器四步法移相细分46 衍射式移相细分在聚
12、光镜焦面上不同衍射级次位置放置光电元件设计扫描板使得由三步法可求的相应相位光栅尺信号处理：细分（Subdivision）22/3 1011122atanIIIIIW 47绝对测量与增量测量 绝对式长光栅尺的光栅 增量式长光栅尺的光栅48绝对测量与增量测量 带增量刻轨的绝对编码结构光栅 带距离编码参考点的增量式光栅增量刻线绝对编码增量刻线距离编码参考点49光栅尺参数设计 光栅栅距（grating pitch）考虑仪器分辨率（resolution）和细分数衍射原理：8 mm以下 几何原理：20 mm以上移相细分：测相精度 电子细分：2-4096 探测器尺寸及位置考虑平均栅线误差的需要考虑获取细分或
13、判向信号的需要50商用光栅尺技术参数Maximum traversing speed德国Heidenhain德国Numerik Jena意大利Givi51光栅尺的误差 光栅刻度质量莫尔条纹减少短周期误差；误差修正；多读数头 扫描质量减小杂散光 信号处理电子设备的质量 扫描板沿标尺运动的偏差安装防止应力和变形，有调整环节减小阿贝误差：滑板与标尺同高，安装面与导轨平行 光栅尺的标定（长度标准溯源）与干涉仪比对52 长光栅莫尔条纹形成及特点几何解释，双光栅衍射解释长光栅横向莫尔条纹特点 几何式、衍射式光栅读数头的基本组成和布局 光栅尺判向与细分信号的提取探测器位置设计三步法、四步法移相细分公式 光栅
14、参数选择与光栅误差光栅常数、夹角，探测器尺寸与位置，等光栅尺小结 被测位移/角度连续 标尺/度盘读数离散以分辨率为间隔 位移量的模数转换，数字测量位移编码器：位移量数字测量的标准器 标尺/度盘的特点绝对值编码，数字标注，人工判读53第四节光学编码度盘05109.0 mm 度盘数字化测量光学编码度盘角位移量数字测量的标准器以二进制代码运算为基础，用透光与不透光代表“1”和“0”，配以一定电路，实现角度量与数字量的转换54第四节光学编码度盘 绝对值编码 二进制标注 自动判读 增量式光学码盘（光电编码器）结构55第四节光学编码度盘1-转轴；2-光源；3-判向板；4-绝度位置标记；5-光电接收器；6-
15、增量计数标记；7-数据接口 增量式光电编码器工作原理-计数56第四节光学编码度盘 增量式光电编码器工作原理-判向57第四节光学编码度盘判向元件：A与B径向间距=1/4狭缝间距AB正转反转 绝对式码盘二进制编码 v.s.循环编码（格雷码）58第四节光学编码度盘59第四节光学编码度盘 二进制码便于阅读：每个码道有对应的权出错可能大：可能出现多个位数上的码同时变化的情况，如：0111110000，易误码（非单值性误差）循环码出错可能小：相邻代码各位中只有一位变化不易阅读：无固定的权，但和二进制码有转换关系易加工：每一码道的线条数（除最高位）比二进制码盘少一半，如对应5道码盘，二进制最外圈32条，循环
16、码16条60第四节光学编码度盘 码盘基本参数码道n：黑白相间，高位在内，低位在外码容量M：M=2n,n=5,M=32;分辨率：360/M;n=21,360/M 0.6 刻划周期（栅角）刻线宽度刻线长度最小内圈直径码道间隔第四节光学编码度盘 应用：转盘工位编码绝对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可有一个编码相对应当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统 1-编码器2-电机3-传动轴4-转盘5-工件6-钻头62第五节光波长 干涉测量基本原理 利用干涉复现米定义6263 单色光迈克尔逊干涉仪干涉测长基本原理
17、6301 cos 2LIID理想情况下探测器上光强被测面移动距离探测器光强参考臂测量臂光线往返：被测面移动半个波长LD为两臂光程差以 变化一个波长为周期LD64干涉测长基本原理 任何干涉，通过对条纹数目或数目变化的统计，就能获得以光的波长为单位的对光程差的计量，用于精密测量和产品质量检验。64高精度测量被测面移动距离探测器光强65终极长度标准：光波波长 最新米定义1m 的长度是真空中光波在1/299 792 458 s时间内传输的距离 光波波长的应用干涉仪以激光波长为单位 要求作为标准的光频准确稳定性好：激光器在工作期间频率变化的相对值Df/f 足够小再现性好：同一类型的激光器若干台直接辐射频
18、率的差异，或同一激光器不同时期辐射频率的变化小长度标准：要求稳定性和再现性同时达到精度要求光速光波长光频66国际单位制 推荐8种饱和吸收激光器的9种辐射值作长度标准复现方法：测量激光频率f，根据光速c，导出标准波长 如何用标准波长标定未知波长？22221111/)(/)(nmnm对同一光程差1221/mm真空中，调整光程差使小数为0计量标准溯源波长计量院国际比对本章小结 计量标准概述掌握七个国际单位制标准单位及对应的物理量 标尺与度盘掌握标尺与度盘的主要误差来源和消除方法 光学编码度盘掌握码盘的工作原理，元器件选型方法掌握二进制码与格雷码的区别 计量光栅掌握几何式莫尔条纹形成的原理，横向莫尔条纹的特点掌握几何式光栅尺参数设计方法67
