微纳位移传感器技术解析

1.高精度光栅尺

目前，高档数控机床上伺服运动控制系统中，光栅测量装置（见图3-1）应用较为普遍，它的测量精度可稳定在1μm，而细分软硬件信号处理技术可使其测量分辨率达到纳米级。

图3-1　光栅测量装置外形

1）光栅的结构和工作原理

光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光电元件和驱动线路组成。图3-2所示为垂直入射光栅读数头结构示意图。

图3-2　垂直入射光栅读数头结构示意图

1—光源；2—透镜；3—指示光栅；4—光电元件；5—驱动线路

通常标尺光栅固定在机床的活动部件上，光栅读数头装在机床的固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。在图3-2中，标尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证与指示光栅有准确的位置对应关系。标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺，它们是用真空镀膜的方法刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距P，每毫米长度上的线纹数称为线密度k，栅距与线密度在数值上互为倒数。常见的直线光栅线密度为50线/mm、100线/mm、200线/mm。

安装时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙（0.05～0.1 mm），并且其线纹相互偏斜一个很小的角度。两光栅线纹相交，当光线通过时由于光的衍射作用，在相交处出现黑、白相间的色纹，称为莫尔条纹，如图3-3所示。莫尔条纹的方向与光栅线纹的方向大致垂直。

图3-3　光栅莫尔条纹

指示光栅与标尺光栅之间相对移动了一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹节距，且其移动方向几乎与光栅移动方向垂直。设莫尔条纹的节距为W，则从图3-3所示的几何关系可得

式中：θ——光栅线纹间的夹角，rad。

由于θ很小，sinθ≈θ，因而可得

可见，莫尔条纹具有放大作用。若P=0.001 mm、θ=0.001 rad，则W≈1 mm。莫尔条纹的节距相对于光栅栅距放大了1000倍。这样，利用光的干涉现象，不需要复杂的光学系统，就可以大大提高光栅测量装置的分辨率。虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。

光电元件所接收的光线受莫尔条纹影响呈正弦规律变化，因此在光电元件上产生接近正弦规律变化的电流。

2）光栅的种类

光栅的种类很多，按照刻线材质分一般有玻璃透射光栅和金属反射光栅。玻璃透射光栅是在光学玻璃的表面涂上一层感光材料或金属镀膜，再在涂层上刻出光栅条纹，用刻蜡、腐蚀、涂黑等办法制成光栅条纹。金属反射光栅是在钢尺或不锈钢带的表面上，光整加工成反射光很强的镜面，用照相腐蚀工艺制作光栅条纹。金属反射光栅的特点是：其线膨胀系数可以做到和机床的线膨胀系数一样，易于安装，易于削成较长光栅，但其刻线密度小，分辨率低。

根据光栅的工作原理，玻璃透射光栅可分为莫尔条纹式光栅和透射直线式光栅两类。莫尔条纹式光栅的应用很普遍，莫尔条纹具有放大光栅栅距和栅距之间的相邻误差均化的特点；透射直线式光栅由光源、长光栅（即标尺光栅）、短光栅（即指示光栅）、光电元件组成。当两块光栅之间有相对移动时，由光电元件把两光栅相对移动产生的明暗变化转换为电流变化。光电元件接收的光通量忽强忽弱，产生近似于正弦波的电流，再由电子线路转变为以数字显示的位移量。玻璃透射光栅的特点是信号增幅大，装置结构简单，但光栅密度小。

光栅也可以制成圆盘形的圆光栅，用来测量角位移。这样，按照检测的位移不同，光栅可分为直线位移光栅和角位移光栅（或圆光栅）。光栅位移传感器输出信号有数字脉冲式和模拟式。不论是模拟信号还是数字信号，又有差分式（）和非差分式（A、B、Z）输出。选用差分输出方式，其抗干扰能力更强，传输距离也较远。光栅的输出信号有辨向信号和基准（零位）信号之分。如图3-3所示，辨向信号A、B相位相差90°，用来测量位移和辨向。

另外，光栅还有绝对式、增量式、混合式之分。图3-4给出了一种混合式光电编码器结构，根据需要，既能以增量方式使用也能以绝对方式使用之。

图3-4　混合式光电编码器结构

图3-4中，码盘外侧沿圆周径向具有等角度均匀刻线，用于增量方式；而码盘内侧圆周不同半径区域由内向外按照不同的码制编有明暗条码，用于绝对式测量。对于增量式光栅编码器（尺），在其用于相对测量时，一旦在测量过程中出现计数错误，后续的测量中就会产生计数误差；而绝对式光栅编码器（尺）克服了增量式的缺点，是一种直接编码和直接测量的检测装置，指示的是绝对位置，没有累积误差。实际使用时，对于增量式光栅编码器，关机后每次再开机，均要通过回零建立基准参考点后才能工作，信号输出一般为并行格式，有模拟式和数字式之分，图3-5（a）给出的是增量式光栅编码器模拟式输出信号；而对于绝对式光栅编码器，因其内部具有掉电保护电路，故不需要操作者进行回零操作，系统零点由设备厂商在出厂前设定好而一直保存下来，信号一般是串行输出格式，如图3-5（b）所示。

图3-5　光栅信号的输出格式

3）光栅测量信号处理系统组成

光栅测量信号处理系统主要由光电元件（硅光电池）、差分放大电路、整形电路、细分电路、方向鉴别电路及可逆计数器等组成。图3-6给出了一种典型的四细分光栅测量信号处理系统简图及各环节信号表现形式。

图3-6　光栅测量信号四细分电路系统

图3-6中，P1、P2、P3、P4四块硅光电池接收莫尔条纹信号，每相邻两块之间的距离为W/4，四块电池的距离之和就是莫尔条纹间距W。当莫尔条纹移动时，由于在莫尔条纹间距W内通过的光线强度呈正弦波变化，因此每块硅光电池产生的电流（电压）也是正弦波，并且相邻两块电池产生的正弦波电信号相位相差90°。把P1、P3的输出接到差动放大器的两个输入端，把P2、P4的输出接到另一差动放大器的输入端，可获得两组相位相差90°的正、余弦放大信号。然后，经整形电路变换成方波信号，再经反相、微分及与或门电路处理后便可得到四倍频的正向脉冲H1和反方向脉冲H2信号，再由可逆计数器接收。用可逆计数器进行计数，就可测量光栅的实际位移。这里通过四倍频电气硬件电路处理，分辨率提高了4倍，从而实现了更高精度的测量。例如，若原机械分辨率是1 μm，则现在可以达到0.25 μm。

4）光栅尺的误差分析

影响光栅尺测量精度的因素有很多，概括起来误差有以下五种。

（1）光栅尺误差。

光栅尺误差包括栅距误差和材料的均匀性误差。栅距误差是与光栅制造过程中的工艺有关的误差；而材料的均匀性误差则是由于光栅上各部分透光率不均匀而产生的误差。

（2）栅距的细分误差。

栅距的细分误差包括电路细分误差和光栅细分误差。电路中的A/D转换电路的精度决定电路细分误差；莫尔信号的波形的形状决定了光栅细分误差，理想的莫尔信号波形是正弦状，当实际波形偏离了正弦形状就会带来细分误差。

（3）光栅副的相对位置偏差引起的误差。

在光栅尺测量过程中，通常是将光栅尺安装在被测物体上，被测物体在运动的过程中并不能按照理想的路线运动。当其运动时，运动面的不平整度或者装调误差等因素的影响，会使运动光栅在空间内各个方向产生偏差。这种相对位置偏差会影响信号质量进而使精度降低。

（4）量化误差。

量化误差是数字式测量装置固有的随机误差，为等概率分布，其极限误差为最小显示值的一半。

（5）温度误差。

光栅尺的制造温度一般为20℃，但是在测量过程中并不是所有的测量温度都是20℃恒温，事实上能够达到20℃恒温的测量环境几乎没有，温度的变化会对光栅尺的精度产生影响，进而导致误差。在光栅尺测量系统中，温度的影响主要有以下几个方面：引起光栅尺变形；光栅尺热膨胀系数误差；测温误差；温度场不均匀误差；等等。随着技术的不断改进，光栅尺的精度在不断提高，但温度变化所引起的误差在测量结果的误差中所占的比重也越来越大。

5）光栅尺技术现状

自从海德汉发明光栅镀铬的光刻技术以来，光栅测量技术取得了飞速的发展，光栅测量也实现了从微米级到纳米级的跨越。现在市场上光栅尺的生产厂家很多，国外的公司主要有德国海德汉、西班牙发格、英国雷尼绍、日本三丰和美国的MicroE Systems等，国内公司有中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称长春光机）、广州信和光栅数显有限公司（简称信和）、广东万濠精密仪器股份有限公司（简称万濠）、珠海市怡信测量科技有限公司（简称怡信）、贵阳新豪光电有限公司（简称贵阳新豪）、北京航天万新科技有限公司（简称航天万新）和桂林广陆数字测控有限公司（简称桂林广陆）等。其中，以海德汉、雷尼绍和MicroE Systems的光栅尺最为著名，其共同特点是高精度、高分辨率和高速度。下面从封闭式增量光栅尺、封闭式绝对光栅尺、敞开式增量光栅尺和敞开式绝对光栅尺四个方面来说明国内外主要产品的区别。

如表3-1所示，封闭式增量光栅尺的栅距在4～40 μm内，分辨率最小达到0.1μm，速度最高为120 m/min。其中海德汉的产品主要有四类，即LB、LC、LF和LS，它们共同的特点是具有可定义的温度特性和能承受高频振动。LB系列最大测量长度为30 m，LF系列适用于高重复性测量的场合，LS600可用于手动操作机床。发格公司的产品主要用于数控机床和普通机床，它有三种回零方式：一是增量回零方式；二是距离编码回零方式；三是可选择参考点回零方式。日本三丰公司的主要产品主要用于位置测量、系统的位置反馈、机床数显、数控、半导体工业的测试，最重要的用户就是三丰公司自己。中国信和公司的光栅尺也做到了微米测量，它的测量范围比较有限，不能实现大量程高速测量，但由于其价格比较便宜，现在也在国内一般机床和精度要求不高的场合得到了广泛的应用。(www.xing528.com)

表3-1　国内外封闭式增量光栅尺性能参数

生产封闭式绝对光栅尺的厂家主要有德国海德汉和日本三丰。海德汉的封闭式光栅尺以LC115系列为代表，它应用双密封条，具有很强的抗干扰能力，单场扫描，输出信号质量高，输出信号采用EnDat 2.2绝对式数字接口，分辨率可达到1 nm，测量的最高速度为3 m/s，适用于非高速的位置测量。三丰公司的AT 36系列最小分辨率为10 nm，测量的最大速度是1.2 m/s，输出为TTL电平，具有很好的抗干扰性能，主要用于数控机床。

敞开式光栅尺具有高分辨率、高速度等特点，主要应用于半导体工业、高精密机械和高速高精度测量系统等。典型代表是德国海德汉公司、英国雷尼绍和美国MicroE Systems公司，表3-2所示是这三个公司敞开式增量光栅尺产品的各性能参数。国内由于技术不成熟，高精度高速高分辨率光栅尺还处于研究阶段。MicroE Systems公司的光栅尺特点是用户可自己在PC机上利用MicroE Systems公司提供的软件设置分辨率和工作频率，方便了光栅尺在不同场合的应用；另一个特点是MicroE Systems公司光栅尺的读数头可读取不同类型的光栅，比如玻璃光栅和金属光栅、直线光栅和圆光栅。它采用了光学零位和左右限位，零位和限位都可以直接贴在光栅尺长度方向的任意位置，不占用任何空间。

表3-2　敞开式增量光栅尺性能参数

续表

MicroE Systems公司的产品M6000si系列光栅尺可在10 m/s的速度下实现1.2 nm高分辨率的测量。雷尼绍光栅测量系统应用于工业自动化领域，如半导体、电子、医疗、扫描、印刷、科研、空间测量、影像等领域，甚至在专用机床上也可应用，其中包括精密测量和运动系统。通常说来，精密运动控制需要使用精密反馈光栅。

生产敞开式绝对光栅尺最为著名的公司是海德汉和雷尼绍，它们的代表产品如表3-3所示。雷尼绍生产的敞开式绝对光栅尺的主要特点是：各种分辨率均可保证100 m/s的最大测量速度、±40 nm的电子细分误差，可实现稳定的速度控制，抖动低于10 nm，提高了位置控制稳定性。

表3-3　敞开式绝对光栅尺性能参数

2.电容位移传感器

电容测量技术近几年来有了很大的进展，它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，其应用也会逐步扩大至压力、差压、液压、成分含量等领域的测量。电容传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、可非接触测量等一系列突出的优点，随着电子技术的发展，这些优点得到了进一步的体现，而且电容传感器本身的分布电容和非线性等缺点也得到了一定的改善。因此，电容传感器在非电学量和自动检测中的应用也越来越广泛。

1）电容位移传感器测量原理及种类

电容位移传感器的原理就是把被测物理量的变化转换成电容的变化以进行测量，然后对测量信号进行放大等处理。电容位移传感器实质上是一个具有可变参数的电容器，电容器由两个平行的金属板组成。两个极板组成的电容器电容为

式中：ε——电容两极板间的介质的介电常数，对于真空，ε=ε0，ε0≈8.854187817×10-12 F/m；

A——两极板所覆盖的面积；

d——两极板之间的极距；

C——电容器的电容量。

依据式（3-3），若被测物理量使得式中的ε、A或d发生变化，则电容C也会随之变化。如果ε、A或d中的两个参数不变，仅改变剩下的一个参数，那么就可以把该参数的变化变成单一因素影响的电容量变化，再通过配套的测量电路将电容的变化转换为电信号输出，就可以得到所测量的物理量的变化值。

根据电容器参数变化的特性，电容位移传感器的类型可以分为极距变化型、面积变化型和介质变化型，如图3-7所示。其中（a）（e）为极距变化型，（b）（c）（d）为面积变化型，（i）～（l）为介质变化型，（f）～（h）为三种基本型的组合形式。

上述电容位移传感器类型中，极距变化型和面积变化型在实际应用中应用较广。测量较为精密的位移变化的电容位移传感器常以改变平行板的间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容位移传感器的测量灵敏度。改变平行板间距的电容位移传感器测量位移时的精度可以达到微米、亚微米数量级，而改变面积的电容位移传感器一般适用于测量厘米数量级的位移变化。

图3-7　不同类型的电容位移传感器

由式（3-3）可知，若两极板相互覆盖面积及介质不变，电容量C与极距d之间的关系是非线性的，如图3-8所示。

图3-8　电容量与极距的关系

当电容板的极距由最初的d0缩小Δd，则极距的初始值和最终值分别为d0和d0—Δd，其电容量分别为C0和C1，可得

当d0≫Δd时，则式（3-5）可化简为

从式（3-6）中可以看出，C1与Δd近似成线性关系，所以通常情况下改变极距的电容位移传感器被设计成Δd在极小范围内变化。

对于极距变化型电容位移传感器，通常起始电容在20～30 pF内，极板距离在25～200 μm的范围内，被测最大的位移量应该小于极距的1/10。

图3-9　差动式电容位移传感器

在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度和克服某些外界因素（例如电源电压、环境温度等）对测量的影响，常常把电容位移传感器制作成差动形式，如图3-9所示。当动极板移动后，C1和C2呈差动变化，其中一个电容量增大，而另一个电容量减小，这样可以消除外界因素所引起的测量误差。

2）电容位移传感器的特点与选用

电容位移传感器的主要优点如下。

（1）输入能量小而灵敏度高。极距变化型电容位移传感器只需很小的能量就能改变电容极板的位置，如在一直径为12.7 mm圆形电容极板上施加10 V电压，极板间隙为25.4μm，只需3×10-5N的力就能使极板产生位移。因此，电容位移传感器可以测量极小的位移。

（2）电参量相对变化大。电容位移传感器的电容的相对变化ΔC/C≥100%，有的甚至可以达到200%，这说明传感器的信噪比大，稳定性好。

（3）动态性能好。电容位移传感器活动零件少，而且质量很小，本身具有很高的自振频率，而电源的载波频率很高，因此电容位移传感器可用于动态参数的测量。

（4）能量损耗小。电容位移传感器的工作原理是改变极板间的间距或面积来改变电容，而电容的变化并不产生热量损耗。

（5）结构简单，适应性好。电容位移传感器的主要组成就是两块极板及介质，结构相对简单，可以在振动、辐射等环境下工作，在有冷却措施的情况下还能在高温下工作。

（6）非接触测量。电容位移传感器往往用于非接触式动态测量场合，其中以电容位移传感器测头作为电容的一个极板，而被测物体表面则作为另一个极板。由于极板之间的电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形等影响，因此可以消除接触式测量对被测对象带来的不利影响，提高测量精度。

电容位移传感器的主要缺点如下。

（1）非线性大，存在原理性误差。对于极距变化型电容位移传感器，机械位移和电容之间的关系是非线性的，利用测量电路把电容变化转换成电压变化时也是非线性的。因此，输入和输出之间的关系呈现出比较大的非线性。采用差动式结构可以适当地改善输入和输出之间的非线性，但不能完全消除。

（2）电缆分布电容影响大。传感器两极板之间的电容很小，仅几十皮法，小的甚至只有几皮法，但传感器与电子设备之间的连接电缆却具有很大的电容。这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，也会使灵敏度随之降低，电缆的放置位置和形状变化还会引起电缆本身的电容的变化，进而使输出的结果不真实，给测量结果带来误差。为了消除这种误差，一方面可以利用集成电路，使放大测量电路小型化，将其放入传感器内部，这样传输导线输出的是电压信号，不受分布电容的影响；另一方面可以采用双屏蔽传输电缆，以适当降低分布电容的影响。

当被测物理量（如线位移、角位移、间隔、距离、厚度等）变化非常缓慢，变化范围又极小时，可以选用电容位移传感器。尤其是在测量运动的被测对象中，如主轴的回转误差测量等，必须选用非接触式测量方式，此时电容位移传感器是最佳的选择。高精度电容位移传感器的分辨率可达0.01μm，量程能达到（100±5）μm。