[发明专利]一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺

说明书

本发明公开了一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，包括直栅线光栅以及直斜栅线光栅，垂直栅线光栅与直斜栅线光栅的垂直栅线区形成垂直莫尔条纹，垂直栅线光栅与直斜栅线光栅的斜栅线区形成水平莫尔条纹；两个光栅左右相对运动一个光栅栅距，垂直莫尔条纹左右滚动一个垂直莫尔条纹宽度，水平莫尔条纹上下滚动一个水平莫尔条纹宽度。通过二维光敏二极管阵列进行光电探测，水平和垂直莫尔条纹区的光敏二极管阵列分别接线各自的解码电路上，输出同频率的双通道IQ信号。本发明的优点是抗干扰能力十分优异，另外光敏二极管输出信号经过放大和累加，输出标准的正交信号，电路成熟，本发明的技术复杂度未增加。

技术领域

本发明涉及自动化装备的几何量测量技术领域，具体涉及一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺。

背景技术

光栅尺作为位移、速度和加速度测量器件是高精度高速数控机床、电子邦定机和半导体晶圆生产设备上的标准配置器件之一，在高精度、高速自动化数控反馈闭环系统有广泛应用。国内厂家光栅尺的结构由两个一维光栅以小角度重叠，形成视觉上近乎平行，黑白相间的一维莫尔条纹。一个莫尔条纹周期内安装有四个光电探测器进行检测，利用直流运放电路，进行简单的加减和放大计算，最后形成两路标准的正交IQ信号输出。正交IQ信号是工业控制位置信息输入标准接口，与各种运动控制卡兼容。

在理想情况下，一维莫尔条纹光栅尺位置测量准确，可以作为高速、高精度控制装备位置反馈元件使用。但是在非理想情况下，就是有外界干扰、污染和光电信号不均匀等情况下，就会产生失真和位移误差，使自动化装备可靠性大幅下降，极端情况下自动控制系统失稳，导致机毁人亡事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，主要用于解决现有光栅尺存在的在非理想情况下容易产生失真和位移误差等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，包括直栅线光栅以及直斜栅线光栅，其中，直栅线光栅的栅线栅距为Wm；直斜栅线光栅由垂直栅线栅和斜栅线栅交错排布构成，其中垂直栅线栅距为Wdz，长度为L；斜栅线栅距为Wdx，长度为L，与垂直方向夹角为θ；在垂直方向，垂直栅线栅和斜栅线栅重复多次排布；直栅线光栅和直斜栅线光栅中，当一个为主光栅时，另外一个作为指示光栅；主光栅和指示光栅有间隙地上下平行布置，二者轴线之间夹角为0°；主光栅固定不动，指示光栅左右移动的过程中，直栅线光栅与直斜栅线光栅的垂直栅线区形成垂直莫尔条纹，直栅线光栅与直斜栅线光栅的的斜栅线区形成水平莫尔条纹；

设cs＝Wdx/Wm，且WmWdx，如果cos(θ)＝cs，此时水平莫尔条纹与水平轴夹角为0°，其莫尔条纹宽度Ms：

设cz＝Wdz/Wm，且WmWdz，其垂直莫尔条纹与水平方向夹角90°，其莫尔条纹宽度Mc：

指示光栅相对主光栅左右运动一个光栅栅距，水平莫尔条纹上下滚动一个水平莫尔条纹宽度，垂直莫尔条纹左右滚动一个垂直莫尔条纹宽度。

进一步地，所述空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺的光电探测由光敏二极管阵列完成；在水平和垂直方向光敏二极管阵列的间距分别为：

W_PDS＝Ms/N

W_PDC＝Mc/N

不论是水平还是垂直莫尔条纹，一个莫尔条纹周期内光敏二极管数目都为N。

进一步地，水平和垂直莫尔条纹的解码依靠光敏二极管阵列的模拟放大运算方法；平和垂直莫尔条纹区的光敏二极管阵列分别接线各自的解码电路上，互不干扰，垂直与水平莫尔条纹的解码电路原理相同，在一维相移方向采用IQ解码，在另一个方向使用平均电路。