光栅副间隙动态测量设备的设计

张雪鹏，吴宏圣

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

光栅副间隙动态测量设备的设计

张雪鹏，吴宏圣

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

基于光学测量和图像处理，设计了一种用于测量光栅尺读数头装配过程中指示光栅装配时光栅副间隙的设备。试验测量结果表明，设备测量结果可靠，全区间测量误差＜5%，使用区间测量误差＜3%。为光栅副装配中间隙测量提供了可靠的测量方法和设备。

光栅尺；光栅副；间隙测量

0 引言

在涉及精密测量的机构中，光栅尺是一种最常用的位移传感器，特别是在位移台和机床领域中，更是广泛应用［1，2］。光栅尺是利用莫尔条纹原理工作的测量反馈装置［3，4］。其结构中的一组光栅副包括标尺光栅和指示光栅，是光栅尺核心工作部件，在运行时二者需要保持特定的位置关系，指示光栅沿着标尺光栅长度方向上运动从而完成位置信息的测量。

标尺光栅和指示光栅组成的光栅副中，需要二者保持一个合适的间隙值，也就是以标尺光栅为基准，指示光栅要处于能够使莫尔条纹清晰成像的一个小区间内，即菲涅尔焦面附近的位置。同时，考虑到光栅副工作时可能有灰尘或者金属碎屑等污染物进入，光栅副间隙既要兼顾莫尔条纹成像清晰，又要使得间隙值尽可能的大。光栅副间隙值经过理论计算和试验确定后，必须严格控制。因此，在光栅尺读数头装配过程中，对指示光栅的装配需要更加严格的工艺，指示光栅在装配后必须通过特定的设备检测装配后的间隙值是否在理论的范围内。

本文旨在设计一种检测光栅副间隙的设备，通过光学测量和图像处理的方法实现光栅副间隙的动态非接触测量。

1 系统原理

1.1光学系统原理

该系统由模拟的标尺光栅、指示光栅、光源、准直透镜、物镜和CCD相机构成。

用来测量光栅副间隙的模拟标尺光栅不是光栅尺中的标尺光栅，而是带有特定图案的模拟标尺光栅，如图1所示，图案中镀铬区与透明区域相间排列。

测量原理如图2所示，从光源发出的光经过准直透镜，倾斜45°入射到模拟标尺光栅和指示光栅，其光线的一部分被玻璃的镀膜区反射，一部分被指示光栅的镀膜区反射，其反射光再经过物镜，将模拟标尺光栅上的特征点和指示光栅上的对应点通过物镜成像在CCD相机上。平行光被模拟标尺光栅镀铬层反射，其中铬层边缘a处反射光和临界光线在b点反射光通过物镜成像到CCD相面上时，a、b两点之间相对临界区域就形成了一条暗条纹，指示光栅沿着模拟标尺光栅长度方向上运动，便得到了一系列明暗相间的条纹，如图3所示，其中暗条纹的宽度与光栅副的间隙h成正比。

图1　模拟的标尺光栅Fig.1 Simulated metrological grating

图2　光学测量原理Fig.2 Optical measuring principle

图3　明暗相间的条纹Fig.3 Light and dark stripes

1.2图像处理

在得到了一组明暗相间的条纹之后，首先要对这组图像进行梯度计算。梯度▽f（x，y）可定义为矢量：

式中：Ix是x方向的单位向量；Iy是y方向的单位向量。梯度的幅值：

用绝对值来近似梯度幅值|▽f（x，y）|=|▽fx|+|▽fy|［5］。对图像梯度自动阀值分割，采用Sobel算子滤波后的梯度看作一幅图像，然后使用自动全局阈值分割的方法来判断图像的边缘。

对图像进行最小值滤波降低梯度二值图像噪声，经过阈值分割的梯度二值图像会存在一些奇异点噪声，最小值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术。采用最小值滤波把数字图像中一点的值用该点的一个邻域中各点值的最小值值代替，从而消除少量的噪声点。

最后通过图像处理算法得到的二值化图像，计算暗条纹宽度，采用标准化垫片对系统进行标定。

2 试验测量

2.1设备结构和测量方法

经过装调、标定后的设备如图4所示，该设备有两路相同的光学测量系统，两系统光轴在高度方向上有一定的距离，从光源发出的光，通过棱镜分光，分别进入到左右两路光学系统中，测量两个点。指示光栅沿着模拟标尺光栅滑动，从标尺光栅一侧沿着标尺光栅滑动到另一侧，如图5所示，即可测量指示光栅面上上下两条平行直线与模拟标尺光栅面的距离，测量软件界面如图6所示，界面上方左右两个窗口显示的为上述的间隙条纹，其中暗条纹宽度与光栅副的间隙成比例。界面下方左右两个数值区，可以实时地绘制出滑架从模拟标尺光栅一侧运动到另一侧的间隙曲线。

图4　系统结构Fig.4 System structure

图5　测量中Fig.5 Measuring

图6　软件界面Fig.6 Software interface

测量样品为已经装配合格的标定过的指示光栅20支，如图7所示，图中黑色带轴承的为滑架体，滑架体上的玻璃即为指示光栅，标定的光栅副间隙值如表1所示。

图7　滑架体和指示光栅Fig.7 Sliding shelf and indicative grating

在该设备上进行测试，要求指示光栅所固定的滑架上面的轴承与模拟主光栅接触良好，指示光栅和滑架从模拟主光栅一侧缓慢运动到另一侧，完成测量。

2.2测量结果分析

对20个标定后的不同间隙值的装配合格的指示光栅进行了测量，绘制出测量值与标定值曲线，如图8所示，从图中可以看出，两条曲线的走势完全相同。

测量值相对标定值的误差曲线如图9所示，误差随着间隙值的增大而接近线性增大，到序号20，即间隙值达到200μm时，最大差值仍未超过5μm。

测量值与标定值的误差百分比如图10所示，从图中可以看出，除了10μm、20μm这样间隙很小时，误差百分比达到5%外，其它情况，误差百分比都稳定在3%以内。而本设备常用的测量范围50～150μm，完全达到使用要求。

表1　标定过的指示光栅间隙值Tab.1 Calibrated value of gap of indicative grating

图8　测量值与标定值曲线Fig.8 The curves of the measured values with the calibrated values

图9　误差曲线Fig.9 Error curve

图10　误差百分比Fig.10 Error percentage

3 结论

本文基于光学测量和图像处理的方法设计出一种光栅副动态测量设备，用于检测光栅尺读数头装配中指示光栅装配合格定的检测工具。通过对标定的装配合格的指示光栅进行试验测量，在10μm～200μm范围内，设备测量误差在5%以内，在经常使用的测量区间50μm～150μm范围内，误差＜3%，完全达到使用要求。

［1］张雪鹏，蔺春波，吴宏圣.基于JC09光栅尺位移传感器的光栅副间隙分析［J］.制造技术与机床，2014，7.

［2］孙强.高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点［J］.世界制造技术与装备市场，2012，5.

［3］邱丽.光栅莫尔条纹干涉计量及其应用研究［D］.重庆：重庆大学，2009.

［4］Wang X，Dong X，Guo J，et al.Two-dimensional displacement sensing using a cross diffraction grating scheme［J］.Journal of Optics APure And Applied Optics.2004，6.

［5］李龙林.莫尔条纹特性检测及其图像处理［D］.重庆：重庆大学，2009.

图13　回路优化前试验结果

图14　回路优化后试验结果

4 结论

本文针对高速列车信号输出回路失效进行了详细分析，重点对故障的输出三极管进行了切片和De-CAP分析得出了内部的故障点；通过故障模拟及对比分析，掌握了三极管故障的起因。

针对故障起因，提出了信号输出回路的优化方案，并对优化前后的回路进行了试验对比，验证了优化方案的有效性。从而提高了信号输出回路的可靠性，提升了列车的可用性及运营的安全性。

参考文献：

［1］游志明.晶体三极管损坏机理分析［J］.科技信息，2009，9.

［2］雷磊，周永平，张宝华，彭炜.ESD对电子设备的危害及防护［J］.装备环境工程，2007，4.

［3］邱关源.电路（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［4］GB/T 17626.5-2008《电磁兼容-试验和测量技术-浪涌（冲击）抗扰度试验》［S］.

Design an Equipment to Dynamically Measure the Gap between Pair Gratings

ZHANG Xue-Peng，WU Hong-Sheng
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun Jilin 130033，China）

Based on optical measurement and image processing，design an equipment to measure gap of pair grating in the process of assembling grating ruler reading head.Test result shows that，measurement results of the equipment are reliable，measurement error between the range＜5%，measurement error between frequently used range＜3%.Provide reliable measuring method and equipment for measure the gap of pair gratings in the process of assembling pair gratings.

linear grating ruler；pair grating；measure gap

TH71

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.010

1002-6673（2015）02-026-03

2014-10-08

项目来源：国家重大科技专项（2013ZX04007-021）；长春市科技计划项目（高集成化单码道绝对式光栅尺研发-2013254）

张雪鹏（1986-），男，黑龙江人，硕士，助理研究员。研究方向：光学精密机械、已发表论文六篇，其中被EI收录四篇；吴宏圣（1974-），男，吉林人，硕士，研究员。研究方向：自动化。已发表论文四十多篇。