光栅测长仪的测量误差分析

自上世纪50年代开始，光栅测量技术因为具有测量范围广、测量精度高，使用方便可靠等优点，在精密计量领域中得到广泛应用和长足进步，其主要应用于线制测量、角分量测量、位移量同步比较测量等等。现阶段，很多测量技术都没有受到应有的重视，导致其存在一定的不足，使得这些测量技术在很多领域的测量结果与实际情况存在较大误差，在一定程度上阻碍了有关科技与工业的发展。光栅测长仪作为某些工艺领域的长度测量技术，在实际应用过程中其测量结果还存在着较大误差。近年来，关于光栅测长仪的误差研究大多集中在静态环境下的测量误差，而对于动态环境下的测量误差则鲜有涉及，而随着动态测量技术的广泛运用，动态测量误差的研究不可回避，而且越来越受到相关研究学者的重视。

1 光栅测长仪的测量误差

光栅测长仪的测量误差主要分为三个方面，一是标准量误差，二是光栅测长仪的机构误差，三是光栅测长仪在工作过程中产生的动态特性误差。其中，标准量误差是指光栅测长仪的系统误差，这种误差永远存在，无法消除，而且这类误差对于运用光栅测长仪进行测量所得的数据的准确性影响较大，将作为本文对于光栅测长仪误差研究的重点内容进行分析。机构误差则是指光栅测长仪在测量过程中的测量行为是否符合阿贝原则，如果因为测量行为不当造成测量线和刻度线平行，那么所产生的测量结果就会在水平和竖直方向存在很大的阿贝误差。此外，光栅测长仪在制作过程中，其导轨及基本结构在构件尺寸上面的误差，以及仪器材料的形变和安装过程所产生的形变也属于光栅测长仪的机构误差，所以光栅测长仪的机构误差由阿贝误差和形变误差共同组成。动态特性误差是指在运用光栅测长仪进行位移测量时，因为测量速度的不同而带来的光栅测长仪动态特性误差出现变化。

2 光栅测长仪的系统误差

光栅测长仪的系统误差主要表现在以下几个方面。

2.1 标尺光栅误差

标尺光栅误差又包括以下两方面：一是光栅标尺的栅距所导致的误差，二是因为刻划时栅线的不均匀所导致的误差。根据前面的分析可以知道，光栅测长仪在进行测量的时候，会通过两组黑白刻度线进行相对运动而形成莫尔条纹，所以相对运动所产生的莫尔条纹对于光栅的栅距误差具有一定的平均效应，本文将标尺光栅的栅距误差忽略不计。而均匀性误差是指光栅测长仪在测量的时候，因为透光元件的质量问题导致的透光量不均匀而形成的分度误差，这种误差用如下公式表示：

式中：

d——光栅的栅距；

ΔA0——信号直流电平漂移；

A1——信号幅值。

2.2 光栅副误差

光栅副误差主要有以下四种类型：

（1）光栅副间隙所产生的误差。这种误差在光栅测长仪使用过程中会严重影响仪器调制度的变化，而且还会对直流电平的变化产生相对作用，使得测量结果误差较大，准确性降低。

（2）光栅副刻线的夹角不准确带来的误差。如果副刻线之间的夹角不准确，一样会影响到仪器调制度的变化，同时对于光栅测长仪光栅信号的正交性也会产生影响。

（3）偏转给仪器带来的误差。因为偏转轴与通过光栅的光轴会有一个相交点，而光栅在运动过程中，光栅的间隙与平均间隙会有所差别，所得到的测量结果也就会形成误差。

（4）如果偏转轴与光轴不能相交于一点，那么测量时的光栅平移所产生的莫尔条纹会受到光波信号的影响，产生测量误差。

2.3 电子系统误差

从某种程度上来讲，电子系统误差属于光栅测长仪的物理误差，而电子系统又是光栅测长仪的重要组成部分，对于该仪器的分辨率和系统精度提高具有重要作用，属于光栅测长仪不可避免的误差。在平时接触的电子仪器中，电子系统误差属于比较普遍的误差类型，是电路的稳定性所引起的测量值误差。例如在测量过程中，电流过高或电压过大都会影响测量数据的准确性，但是这种电流的变化所引起的误差是随机性的，没有规律可循，所以为了减少这种误差，在测量的时候，只有通过多次测量取平均值，才能尽量降低误差值，确保测量结果的准确性。

3 结束语

光栅测长仪是利用光栅的莫尔条纹达到对长度和位移进行测量的一种传感器，主要是通过将位移信号转换成光电信号从而通过数显表显示出来。在运用光栅测长仪进行位移测量时，仪器的系统误差、安装结构差异及使用过程中的动态移动误差都会影响到测量结果的准确性，因此应深入理解光栅测长仪各种误差的形成原理，然后有针对性地找出降低误差的方法，使得光栅测长仪的测量结果更加准确可靠。