CN1018475B - 精密长度测量与控制实时综合修正方法及其装置 - Google Patents
精密长度测量与控制实时综合修正方法及其装置Info
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Abstract
本发明属于计量技术与控制技术领域，是一种对长度测量和位移控制时的He-Ne激光波长类长度基准器及其测长系统以及被测工件的各实时影响因素进行不用传感器采样的总体性综合修正的方法及实现这一方法的装置。主要由长度基准讯号交换系统，实时修正数据处理系统，终端显示记录控制系统组成，其始终直接溯源于He-Ne激光波长，能即时直接测量和显示被测工件的标准长度值。具有量程大、精度高、成本低等系列积极效果，
Description
本发明属于计算技术控制技术领域，是一种对长度测量和位移控制时的He-Ne激光波长类长度基准器及测量系统和被测工件各实时影响因素进行总体性综合修正的方法及实现这一方法的一种装置，尤其适用于长度基准传递，位移控制和精密测量技术。现行国内传统的长度测量方法是量块比较法，国家制定了一至六等量块传递的等级制度，任何等级的长度计量，必须用大量的系列量块以供各种长度尺寸比较，操作繁、效率低、成本高。世界上先进的长度计量与控制技术中长度基准器多用He-Ne激光波长发生器或模拟He-Ne激光波长的计量光栅和感应同步器等。各国都规定了长度计量的标准环境条件，我国具体规定标准环境条件是温度T为20℃，气压P为760毫米水银柱等等。在其他环境条件下计量得到的实际长度都需要转换成标准条件下的标准长度，以统一量衡，以供比较。He-Ne激光的真空波长λg为6329.9148埃，由于长度计量中激光束在空气中传播，激光实际波长λ＝λg/n，其中n为空气折射系数，n因空气温度T、气压P及湿度F，CO2含量C等参数的变化而变化。标准空气条件下的n约为1.00027，故He-Ne标准激光波长λo为6328埃，实时中的He-Ne激光波长λp＝f（T、P、F、C），所以，以He-Ne激光发生器作为长度基准器的长度计量设备中，实时He-Ne激光波长λp受环境空气条件制约，因环境空气条件偏离于标准空气条件而导致λp值相应偏离于λo值。以模拟He-Ne激光波长的计量光栅和感应同步器为长度基准器的长度计量设备中，一方面计量光栅、感应同步器在其制作时受到因环境空气条件偏离导致He-Ne激光波长λp母体相应偏离于λo值的影响;另一方面，实际使用环境温度又对模拟He-Ne激光波长载体材料和被测工件的线膨胀量产生影响;再一方面，长度测量系统是一个光、机、电的复杂组合系统，会产生一些线性系统误差。为保证长度计量的精确性、标准性，或必须苛刻要求长度计量设备必须严格置于标准环境条件下制造和使用，并修正其系统线性误差，或设法修正上述长度基准器和被测工件的误差，以及测量设备的系统误差。传统的方法一是耗费大量能源，使环境条件趋同于标准条件，这种保持标准状态下恒温恒压恒湿的方法成本高，能源费，控制复杂，设备庞大;二是在稳定的环境条件下分别使用传感器测取环境温度T，气压P、温度F、CO2含量C等实时参数，然后进行数据处理，根据有关公式或曲线对相应的有关误差量进行修正。美国HP公司的双频激光干涉仪就是采用后一种方法，使用传感器采集温度T，气压P等实时参数，输入微机进行数据处理修正误差的。这种方法系统复杂、并受传感器精度影响，精度不高，操作不便，费用很大。上述二种方法都无法实现精度较高的大量程长度计测和在线测量，不利于广泛应用。此外，计量光栅和感应同步器在制作时采用了整数米制单位圆整分格，导致一定误差，影响了制作精度。传统上对于模拟He-Ne激光波长中的计量光栅、感应同步器载体和被测工件的线膨胀量，长度计量设备的系统误差量，大多不加修正或粗略修正，造成总体测量精度不高。
本发明的目的就是提供一种与传统方法迥异不同的简单、经济、有效、精度较高的总体性实时综合修正方法以及实现这一方法的一种装置，这种修正方法及装置始终溯源于He-Ne激光波长，不使用任何传感器，能一并综合修正因环境使用温度T、气压P、湿度F等因素对He-Ne激光波长影响产生的误差和因环境使用温度对模拟He-Ne激光波长的计量光栅、感应同步器载体和被测工件线膨胀量影响产生的误差以及测长设备的系统误差，直接测定和显示被测工件的标准长度值。
本发明是通过如下途径实现的：
假设要求长度计量的误差的误差量不大于确定值Y，
如前所述，He-Ne激光波长受空气折射系数n的影响，n又是环境空气温度T、气压P、湿度F、CO2含量C的函数。所以实际工况下的实时激光波长λp为：
λp＝f1（n）＝f2（T.P.F.C） （1）
在标准空气条件附近，一般T、P、F、C对n的影响大致为：
dn/dT＝-0.93×10-6/℃
dn/dP＝0.36×10-6/mmHg
dn/dF＝-0.5×10-7/mmHg （2）
dn/dC＝0.1×10-7/CO2含量每变化0.01%
由于F、C对n的变化率为T、P对n的变化率的几十乃至几百分之一，而且在实际工况下F、C的变化率相对较小。所以，可忽略不计F、C对n的影响。于是，反映空气折射系数n的Edlin公式可简化为：
（n-1）×108＝A+Kt（T-20）+Kp（P-760） （3）
式中A-变化率补充系数，A＝27128，
Kt-温度变化率系数，Kt＝-93，
Kp-气压变化率系数，Kp＝36，
则：
n＝1628-93T+36P （4）
可看出，Kt＝2.5kp，即n（T.P）＝n（T+1，P+2.5），从而可得，（n-1）×108具有斜方对称性，采用（3）式或（4）式，精度误差为被测长度的1×10-7。
基于上述分析，可用近似线性化办法进行下列数据处理，以允许误差量Y为实用显示长度单元ε，
设式：mε-fq≤Y （5）
式中：Y-允许误差量 （微米）
ε-实用显示长度单元 （微米）
m-以ε为单元的脉冲讯号数
q-溯源长度单元，q＝λ0/8＝0.07910微米。
f-以q为单元的原始脉冲讯号数。
采用逐步近似法满足（5）式，使误差小于实用显示长度单元ε，即允许误差量Y，（因ε＝Y，下面也称允许误差ε）。
有零级近似 f0＝m＝f （6）
一级近似则有 f1＝f0+f0/c1（7）
二级近似则有 f2＝f1+f1/c2＝f0+f0/c1+f0/c2+f0/c1c2（8）
三级近似则有 f3＝f2+f2/c3＝f0+f1/c1+f0/c2+f0/c3+f0/c1c2+f0/c2c3+f0/c1c3+f0/c1c2c3（9）
N级近似则有 fn＝fn-1+fn-1/cn
＝f0+f0/c1+f0/c2+ … …
+f0/cn+f0/c1cn+f0/c2cn+…… （10）
+f0/cn-1cn+… …+f0/c1c2c3+f0/c1c2cn+……+f0/c1c2c3…cn
需求解式中的近似修正系数C1、C2、C3……Cn，
将（6）式代入（7）式，将（10）式代入（5）式，得
f1＝m（1+1/c1） （11-1）
c1≤q/（ε-q） （11-2）
同理，可整理得：
f2＝m（1+1/c1）（1+1/c2） （12-1）
C2= (q(1+1/C1))/(ε-q(1+1/c1)) (12-2）
f3＝m（1+1/c1）（1+1/c2）（1+1/c3） （13-1）
c3＝ (q(1+1/C1)(1+1/C2))/(ε-q(1+1/C1)(1+1/C2)) （13-2）
fn＝m（1+1/c1）（1+1/c2）……（1+1/cn-1） （14-1）
Cn= (q(1+1/c1)(1+1/c2))/(ε-q(1+1/c1)……(1+1/cn-1)) （14-2）
采用这一近似方法，其误差不会超过ε，即不会超过设定的允许误差值Y。
倘设定N级近似，则有
fn+1-fn＝fn·1/Cn+1（15）
即：
△f/fn＝1/cn+1（16）
由此可见，N级近似的结果误差小于｜1/C+1｜，即小于第（N+1）级修正系数的倒数。
当Cn数改变一个单位量时，结果的误差量为多少呢？对（14-1）式实行微分，dfn/dCn＝1/c2 n（17）
设：
dfn/fn-1＝dcn/cn（18）
利用（18）式，可求得当Cn每改变一个单位量时，表示影响误差结果程度的修正当量系数E，E与实际测量的长度值L的乘积就是长度计量时的长度修正当量EL。
假如，设定允许误差量Y为0.1微米，即实用显示单元ε为0.1微米，则代入（14-2）式，可求得各级标准修正系数C10、C20、C30、C40…，
C10＝3
C20＝-19
C30＝1232
C40＝-4.8×107……
若设定三级近似（N＝3），三级近似的结果误差为被测长度的｜1/C40｜，
｜1/C40＝｜-1/（4.8×107）｜＝2.1×10-8（19）
公式（19）说明，标准状态下取三级近似运算，结果误差极小，例如测量一米长度，其结果误差近似为0.021微米。
根据分式（18），当取三级近似时，在量程L小于4.8×107×ε范围内每改变一个单位量，对最后修正结果的影响为6×10-7L，这一数值远小于各种材料的线性膨胀量及测量系统误差量，所以，可以通过逐步改变C30数值的办法来补偿这些误差量的影响，实现总体性的实时综合修正。
本发明的实施方案是：采用长度基准始终溯源于He-Ne激光波长的长度基准器，如He-Ne激光发生器和以八分之一He-Ne激光波长值为单元，分别取其80、100、1000倍或其他需要的整数倍值而刻制的模拟He-Ne激光波长的计量光栅和感应同步器;不使用传感器，通过对长度标准器直接标定的方法来求得实时综合修正系数Cnp，一并综合修正由于温度、气压、湿度等环境因素对He-Ne激光波长的影响，环境温度对模拟He-Ne激光波长的计量光栅或感应同步器载体和被测工件的线膨胀量的影响，以及整个测量系统的系统误差所造成的综合误差，直接测定和显示被测工件的标准长度值。
具体步骤为：
设定N级近似（一般三级近似已能保证相当高的精度），设定允许误差Y＝ε和长度单元q，求得标准条件下的标准修正系数Cno和Cno每改变一个单位量时的标准修正当量系数F0;在相对稳定的环境条件下，对一定量程的长度基准器进行直接标定，标定时先预置标准修正系数Cno，测得相应的长度标准器之实测长度Lp，求得其与标定值L的偏离量△L;再用△L除以标准修正当量系数Eo与L的乘积值，得到综合修正补充系数W，Cno加上W即为逼近实时综合修正系数Cnb;再置定Cnb，依上法求得新的偏离量△L，同时取得Cnb每改变一个单位量时的逼近修正当量系数Eb，用△L除以Eb与L的乘积值，得到逼近综合修正补充系数Wb，令Cnb加上Wb得到新的Cnb，求得新一轮偏离量△L……，如此循环逼近，直至△L趋近于零，则相应的Cnb即可视为真实的实时综合修正系数Cnp。
不难看出，Cnp已兼顾了环境空气因素对He-Ne激光波长的影响和环境温度对模拟He-Ne激光波长的计量光栅载体和被测工件的线膨胀量的影响，以及测量设备系统误差等综合误差的修正。
在实际应用中，长度基准器可直接采用He-Ne激光发生器，设定ε为0.1微米，q为八分之一λo值，即0.0791微米，用以制作测量范围为零至4.8米的直接式精密激光端度计量仪，如立式或卧式的测长仪，孔径测量仪、坐标测量仪、大尺寸标准尺类等等。
另一实际应用是同样采用He-Ne激光发生器直接作长度基准器，设定ε为0.01微米，q取八十分之一λo值，即0.00791微米，主要用来制作测量范围为零至480毫米的高精度直接式激光量块检查仪。
实际应用的又一方面是主要用于制作测量范围为零至4.8米的精密端度计量仪器和长度检测与控制设备，其采用直接溯源于He-Ne激光波长的计量光栅作长度基准器，栅距一般取λo的10倍值，约为6.328微米，ε为0.1微米。
还有一种实际应用方法，同样采用直接溯源于He-Ne激光波长的计量光栅作长度基准器，栅距A取λo的1215倍值，约为7.910微米，ε为1微米，主要用于制作测量范围在零至48米的在线长
度检测与控制设备。
可以直接溯源于He-Ne激光波长的感应同步器为长度基准器，其间距分别取12.5λo值（7.910微米）或125λo值（79.10微米），ε相应分别为1或10微米，可用于制造测量范围分别为零至48米或零至480米的数控机床或设备行程控制用的感应同步器数字显示表等等。
为实现上述实时综合修正方法的一种装置，主要由长度基准讯号变换系统1、实时修正数据处理系统Ⅱ、终端显示记录控制系统Ⅲ组成，取三级近似（N＝3），具体结构参见附图一。长度基准讯号变换系统Ⅰ有包含长度基准器，例如直接溯源于He-Ne激光波长的激光干涉仪、光栅读数头、感应同步器装置之类的位移传感器1，四相讯号接收转换器2，运算放大器3，舒密特整形器4，倍频器5和主要由模拟讯号发生器构成的调试检测器6组成;实时修正数据处理系统由四进制可逆计数器构成的一级近似器7，与运算器8，六进制可逆计数器构成的二级近似器9，或运算器10，四只十进制可逆计数器构成的三级近似器11，四位十进制拨码盘12，译出器13，取数器14，总输出器15和循环计数复位控制器16组成;终端显示记录控制系统Ⅲ由显示记录器17或再加上终端数据处理记录器18组成。
装置对一定量程的长度标准器，如标准量块进行直接标定，以按照前述方法获得实时综合修正系数Cnp。
位移传感器1测定的长度标准器的长度讯号为四相讯号接收转换器2所接收转换成四相正弦波讯号，送入运算放大器3放大，再经舒密特放大器4整形，接着送入倍频器5实行电子细分后输出长度单元讯号f，调试检测器6可产生模拟测量讯号对装置系统进行调试和检测。
一级近似器7对来自倍频器5的讯号f计数，产生1/4f讯号，与运算器8对自倍频器5的f讯号和来自一级近似器7的1/4f讯号实现f-1/4f＝3/4f讯号的与运算，二级近似器9对来自一级近似器7的1/4f讯号进行计数，产生1/24f讯号，或运算器10对来自二级近似器的1/24f讯号和来自与运算器8的3/4f讯号实现1/24f+3/4f＝19/24f讯号的加运算，三级近似器11对此19/24f讯号进行计数，并在拨码盘12上预置标准实时修正系数C30数，C30数经译出器13译出，并与来自或运算器10的19/24f在取数器14的与非门中相与，取出C30加1单位量的逻辑修正系数C30′，C30′一路输送至循环复位控制器16，控制三级近似器11复位，C30′另一路输入总输出器15的与非门中，和二级近似器输送的19/24f相与，实现（19/24f-1/C30′）的与运算取得总输出脉冲值m，m＝（f-1/4f）+1/24f-1/C30′f＝19/24f-1/C30′f;随之将信息和结果送至显示记录器17或终端数据处理器18，得出实测长度Lp;进而将标准长度L减去实测长度值Lp得到偏离量△L，再将△L除以标准修正当量系数E0和L的乘积，得到综合修正补充系数W，令C30加上W即成逼近实时综合系数C3b;再在拨码盘12上置定C3b值;重复对长度标准器直接测量，如此循环往复，直至△L趋近于0，则此时相应的C3′b值即为实时综合修正系数C3p，确定了C3p值后，在同一实时条件下，在直接标定的长度标准器最大量程内，可用该装置即时测出任意长度的被测工件的标准长度值。
可根据需要设定允许误差ε和长度单元q值。如设定ε＝0.1微米，q取1/8人，约0.07910微米。
本装置还可用于现有以计量光栅或感应同步器为长度基准器的长度计量与控制装置的改装，只须将本发明中始终直接溯源于He-Ne激光波长的计量光栅或感应同步器取代原有的整数米制单位圆整分格的计量光栅或感应同步器，同时加装本发明所述的实时综合修正装置即可改装成实时综合修正长度计量与控制设备。
本发明创造性地提出了实时综合修正方法及其装置，为精密长度测量与控制技术的发展与进步提供了有效的手段。与国内现有的量块比较法相比，本发明具有应用广，精度高，操作简便，技术先进，效率提高，成本降低等一系列积极效果。与世界上以温度、气压传感器采样，经过数据处理来补偿因环境条件偏离而产生误差的传统方法相比，本发明具有不需要使用传感器，长度基准始终直接溯源于He-Ne激光波长，环境条件要求低，计量精度高，可以制作大尺寸的高精度计量光栅与感应同步器，为大量程长度或行程测量和控制技术提供了有效的工具，而且具有成本代价小，经济效益大等
一系列显著效果，能积极推动长度基准传递，位移控制与精密测量技术的进步。
Claims (8)
1、一种以He-Ne激光波长或模拟He-Ne激光波长的计量光栅、感应同步器为长度基准器，主要用于修正长度基准传递、位移控制和精密测量过程中产生的计量误差的修正方法，其特征在于：
a.长度基准器采用He-Ne激光波长，或长度单元直接溯源于He-Ne激光波长的计量光栅和感应同步器，以八分之一标准He-Ne激光波长值为基本单元，分别取其80、100、1000，倍或其他需要的整数倍值刻制计量光栅和感应同步器，使其始终溯源于He-Ne激光波长；
b.设定N级近似，设定允许误差Y=ε，长度单元q，取得标准条件下的标准修正系数Cno，和每改变Cno一个单位量时的标准修正当量系数E。
Cno= (q(1+1/C10)(1+1/C20)……(1+1/C(n-1)0))/(ε-q(1+1/C10)……(1+1/C(n-1)0))
Eo=1/Cno
c.在相对稳定的环境条件下，对一定量程的长度基准器进行直接标定，标定时先预置标准修正系数Cno，测得相应的长度标准器之实测长度Lp与标定值L的偏离量△L；再用△L除以标准修正当量系数Eo与L的乘积，得到综合修正补充系数W，Cno加上W即为逼近实时综合修正系数Cnb，再置定Cnb，求得新的偏离量△L，同时取得Cnb每改变一个单位量时的逼近修正当量数Eb，Eb=1/Cnb，用△L除以Eb与L的乘积值，得到逼近综合修正补充系数Wb，令Cnb加上Wb得到新的Cnb，求得新一轮偏离量△L……，如此循环逼近，直至△L趋近于零，则相应的Cnb即可视为真实的实时综合修正系数Cnp；
d.置定Cnp，即可在测量系统上直接测出和显示同一实时条件下标定量程内任意长度的被测工件的标准长度值。
2、如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，在以He-Ne激光发生器为长度基准器且其测量范围为零至4.8米的直接式精密激光端度计量仪中，ε为0.01微米，q取标准He-Ne激光波长λ0的八分之一，为0.0791微米。
3、如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，在以He-Ne激光发生器为长度基准器且其测量范围为零至480毫米的直接式精密激光量块检查仪中，ε为0.01微米，q取标准He-Ne激光波长λ0的八十分之一，为0.00791微米。
4、如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，在以直接溯源于He-Ne激光波长的栅距A取6.328微米的波长光栅为长度基准器，且其测量范围在零至4.8米的精密端度计量仪器和长度检控设备中，ε为0.1微米，q取波长光栅栅距A的八分之一，为0.791微米。
5、如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，在以直接溯源于He-Ne激光波长的，栅距取15.82微米的波长光栅作为长度基准器，且其测量范围为零至48米的在线检测与控制仪器设备中，ε为0.01微米，q取波长光栅栅距A的二十分之一，约为0.791微米。
6、如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，在以直接溯源于He-Ne激光波长的，栅距A取1582微米的波长光栅作为长度基准器，且其测量范围分别为零至48米或零至480米的数控机床行程控制用的感应同步器数字显示表中，分别为1微米或10微米，q分别取波长光栅栅距A的二千分之一或二百分之一，ε为0.791微米或7.91微米。
7、实现如权利要求1所述的修正方法的一种装置，其特征在于：位移传感器1测定的长度讯号为四相讯号接收转换器2所接收转换成四相正弦波讯号，送入运算放大器3放大，再经舒密特整形，接着送入倍频器5实行电子细分后输出长度单元讯号f，调试检测器6可产生模拟测量讯号对系统进行调试与检测。
一级近似器7对f计数，产生1/4f讯号，与运算器8对1/4f讯号和f讯号实现f-1/4f＝3/4f讯号的与运算，二级近似器9对1/4f讯号进行计数，产生1/24f讯号，或运算器10实现1/24f-3/4f＝19/24f讯号的加运算，三级近似器11对19/24f讯号进行计数，在拨码盘12上预置C30数，C30数经译出器13译出，并与19/24f讯号在取数器14的与非门中相与，取出C30加1单位量的逻辑修正系数C30′，C30′一路输送至循环复位控制器16，控制三级近似器11复位，C30′另一路输入总输出器15的与非门中和二级近似器输送的19/24f相与，实现19/24f与1/C30′f的与运算取得总输出脉冲值m，m＝（f-1/4f）+1/24f-1/C30′f，进入显示记录器17或终端数据处理器18，得出实测长度Lp，将标准长度值L减去实测长度值Lp得到偏离量△L，再将△L除以标准修正当量系数E。与L的乘积值，得到综合修正补充系数W，用C30加上W即成逼近实时综合修正系数C3b，再在拨码盘12上置定C3b值;重复对长度标准器直接测量，如此循环往复，直至△L超近于0，则相应的C3b值即为实时综合修正系数C3p。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于允许误差ε为0.1微米，长度单元q取八分之一He-Ne激光波长值，q为0.7910微米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C13 | Decision | ||
| GR02 | Examined patent application | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |