光栅尺的单场扫描和四场扫描

直线光栅尺用作机床、搬运和自动化技术以及测量和检查设备。封闭式线性编码器可防止灰尘、碎屑和飞溅液体，非常适合操作在与污染有关的恶劣操作环境中的机器和系统上。 由于其紧凑的设计，它们也在直接驱动和装配自动化方面非常有效。
敞开式式线性编码器用于快速、精确的机器和系统，例如作为半导体行业的生产和测量设备、超精密机器、线性计量、直接驱动等领域的测量机和精密设备。
这些应用程序最重要的要求是：
l 定位精度高
l 高移动速度
l 机器可用性高
l 微调的速度控制
单场扫描的特点是通过显着降低对污染的敏感性和更高质量的输出信号。

光电扫描
线性编码器根据光电扫描原理定期构建的测量标准。在成像扫描原理中，结构化的标尺相对于具有相同或相似结构的索引光栅移动。入射光被调制：如果间隙对齐，光线穿过。如果一个光栅的线与另一个的间隙，没有光线通过。光伏电池转换这些变化将光强转化为电信号。
 

光学系统本质上对所有类型的污染都很敏感。 借助新的单场扫描原理，可以决定性地提高
四场扫描生成信号
 

扫描标线具有扫描场，其光栅彼此偏移四分之一光栅周期。 这相应的光伏电池产生正弦信号，彼此相移 90°（电）。 这些扫描信号首先不是关于零线对称的。 出于这个原因，光伏电池连接在推挽电路中，产生两个输出信号 I 1 和 I 2 相对于零线对称并且电相移 90°

单场扫描生成信号
扫描标线有一个大面积光栅，其光栅周期与标尺略有不同。 这会产生一个
沿扫描场长度的光学节拍：在某些位置，线条重合并让光线通过。 在其他
线和间隙重合的位置，导致阴影。 在两者之间，间隙仅被部分覆盖。 这导致一个一种光学滤波器，允许形状非常接近正弦波的均匀信号。 一个大面积、特殊结构的光电传感器代替单个光伏电池，生成四个 90° 电相移扫描信号

单场扫描的优势
对污染不敏感
光栅尺整个宽度上的大扫描区域以及多个扫描场的连续排列使单场扫描的编码器对污染极其不敏感。 相应控制的结果污染测试证明了这一点：即使模拟大面积污染，编码器仍能继续提供高质量信号。 位置误差仍然远低于为编码器精度等级指定的值。
在许多情况下，根据污染情况，这甚至可以防止四场扫描无法实现的编码器故障。

下图这个例子显示了影响输出信号的污染。在示波器上的 XY 表示中信号形成一个 Lissajous 图。理想的输出信号表现为一个同心的内部圆圈。偏差在圆形的形式和位置引起通过一个信号周期内的位置误差（见测量精度），因此去直接进入测量结果。对应的圆的大小随着输出信号的幅度，可以在一定范围内变化而不影响测量精度。在具有单场扫描的编码器中，然而，人们只看到了一个很小的变化幅度。在 XY 显示中，只有直径略有变化——这是一个确定的迹象极低的位置误差。这种类型的污染具有非常显着的影响四场扫描：因为二扫描涉及字段，XY 显示显示一个极其古怪的椭圆。这引起编码器在该位置完全失效。

更好的电信号
在实际应用中，编码器输出信号由于制造、组装和光学扫描操作中的缺陷以及环境条件变化的负面影响而失真。信号的失真导致 SDE，它在每个周期重复编码器光栅的变化。信号背景电平（UA_o"、UB_o"）的变化通常是由编码器测量刻度的缺陷或污染物引起的。不同的信号偏移也可能与电子部件的不当调整有关。 这种畸变导致了偏心的Lissajous曲线, 这种失真会导致偏心的 Lissajous 曲线，如下图 （a）所示。由于光电探测器的照明不均匀或不一致，可能会出现 A 和 B 信号的不同峰峰值幅度 (UA, UB)，该误差导致椭圆 Lissajous 曲线，如图 （b）所示。 90 度电角度的相移使曲线呈椭圆形，如图 （c） 所示，造成这种误差的主要原因是扫描标线的光栅与主测量尺之间的倾斜。由光学效应和电子器件引起的所有高次谐波都会使信号不是完美的正弦曲线，这种类型的误差形成了非圆形的 Lissajous 曲线，如图 （d）所示。
 

线性编码器的整体精度和精度主要取决于信号周期内的测量刻度和非线性插值误差（SDE）的质量。 标准光电线性编码器通常具有周期为 20 或 40 µm 的测量刻度。 为了提高分辨率，编码器产生的两个模拟电信号被转换成数字信号并进行插值。可检测的最小增量可达到纳米级。高精度和分辨率对于需要精确定位和良好重复性的应用非常重要。在某些应用中，线性编码器不仅用于位置估计，还用于为速度控制提供反馈。更高的分辨率确保了更稳定、更准确的位置和速度环。

SDE（也称为插值误差）是一种循环误差，它随着编码器光栅的每个周期重复出现。 这取决于主测量刻度的质量和产生的电信号的质量。 该误差出现在插值过程中，因为编码器失真的模拟电信号阻止了精细正交信号的形成。 在实践中，SDE 不会引起任何问题，直到其幅度达到测量步长的大小。 换句话说，SDE 的大小是最高分辨率的限制。 如果位置误差较大，则最小可测量增量步长没有意义。 这对于需要精确定位和可重复性的应用尤为重要。 在进给轴或转台直接驱动的机器中，这些非线性插补误差不仅会导致定位不准确，还会导致噪音大、产生额外的热量和速度波动 。

电信号的质量在很大程度上取决于各个方面，例如光学扫描原理、读取头的设计及其处理各种变形的能力、机械振动或温度变化。为了提高信号质量并使编码器更坚固，制造商使用先进的光学扫描方法，例如单场或干涉扫描原理，或者他们实施特殊配置的多道分析光栅以消除更高次谐波信号。不幸的是，所有这些改进都需要更复杂的编码器配置和昂贵的光学部件。另一种最小化 SDE 的方法是电子信号校正。非理想信号参数，例如相对幅度、直流偏移、相移和非正弦形状，必须在插值过程之前进行校正。许多研究通过使用数字滤波和查找表，或通过创建不同的离线和动态补偿算法来解决这个问题。由于 SDE 是每个周期重复的短程误差，因此其补偿是一项艰巨的任务。

为了获得更好的信号质量，需要对正弦输出信号进行插值，以实现 0.1 µm 和更精细的面向应用的测量步长。 由于不对称的信号和与正弦形式的偏差，这会导致一个信号周期内的额外位置误差。 这些位置误差是随机的，因此无法补偿。单场扫描方法在这里有相当大的影响：大扫描场和特殊的光学滤波产生高稳定性的扫描信号和良好的正弦形式在整个遍历路径。这大大减少了信号周期内的位置误差。这在 XY 显示器上非常明显示波器：输出信号带单场扫描的线性编码器显示出更圆的形式和更少的信号噪音。这是一个信号内小位置误差的前提期间直接驱动的良好控制质量，这意味着改进，微调速度控制高重复性即使是高的、电气允许的移动速度也可以通过单场高品质输出信号扫描。因为信号幅度受速度的影响很小，稳定的输出信号确保即使在增加的移动速度下也能可靠地插补。

此外SDE 误差的幅度也与光栅尺运行速度的大小相关。以四场扫描光栅尺为例，在不同的扫描速度下检查被测线性编码器的性能。编码器供应商指定的最大移动速度为 1 m/s。几个信号周期在 100、500 和 1000 mm/ s如图所示：

由此看出：

• Lissajous 曲线的初步概览表明，被测编码器的 SDE 取决于扫描速度。需要在不同速度下进行更详细的分析来确定相关性。

• SDE 与扫描速度之间存在很强的线性关系。在这种情况下，了解编码器在特定应用中运行的最大移动速度非常重要。不同的最大速度给出了不同的最大 SDE 值，并为最高分辨率设置了明显的限制。在另一种情况下，当 SDE 在整个速度范围内保持相同的含义时，或其关系是非线性的，则应确定最大的 SDE 值。

• 编码器的最大推荐运行速度为 1 m/s。在此范围内工作时，最大 SDE 为 ±0.49 µm， 达到 900 mm/s。对这些编码器信号进行插值后，分辨率应大于 0.5 µm。否则，插值误差大于测量步长。

• 在每个速度下，SDE 预算的最大部分形成了二次谐波。这与增加的速度直接相关。这意味着信号幅度的差异或相移随着速度的增加而增加。幅度、o"set 或相位误差可能是由光学扫描原理的物理学以及动态行为和不当调整引起的。电子元件（如光电二极管、使用过的处理芯片或模拟放大器），或所用电缆的质量和其他影响。不仅在设计过程中需要注意这些方面，而且在为特定应用选择合适的编码器时也需要注意这些方面。例如，被测编码器的工作原理是基于四场扫描方式，如果应用对扫描速度的稳定性要求更高，或者测量标尺污染的可能性增加，则必须选择基于单场扫描原理的光学编码器。

总结得，在考虑光栅尺抗污性和精度稳定度方面，需要根据实际应用得光栅尺运行速度和环境来考虑。再结合实际成本的需要选择使用四场扫描还是单场扫描的光栅尺。

参考文献：

Experimental Investigation of Linear Encoder’s Subdivisional Errors under Different Scanning Speeds

27 January 2020; Accepted: 28 February 2020; Published: 4 March 2020