CN107796310A - 光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法，包括气浮平台、第一测量装置和第二测量装置，气浮平台上设有在气浮平台上往复运动的微动平台和运动平台，微动平台上固设有标尺光栅，运动平台上设有一个产生、接受和处理光信号的读数单元，读数单元接近标尺光栅，第一测量装置检测标尺光栅和气浮平台的位移，第二测量装置检测读数单元和气浮平台之间的位移。包括以下步骤：各分立元件的安装与放置，调整读数单元和标识光栅的位姿，传感器单周期误差的测量，传感器单周期误差的评价。通过上述方式，本发明光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法，能够全面了解传感器的精度水平，并找出影响传感器精度的关键因素。

Description

光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法。

背景技术

近年来以莫尔条纹为理论的测量技术在位移检测中得到了广泛的应用，其最典型的代表，就是光栅位移传感器。光栅位移传感器必须包含一对光栅副，其中一块光栅尺作测量基准用，该尺称为标尺光栅（或称主光栅），另一块光栅尺则称为指示光栅。当两块光栅面对面叠合，沿垂直于栅线方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向相同的方向相应地移动。利用光电元件将变化的光强转化为变化的电信号，并经过电子元器件的滤波整形和运算处理，便可以得到相应的位移值。

光栅线位移传感器的计量误差一般有两种表现形式：全长计量误差和单周期计量误差，全长计量误差主要与标尺光栅的栅距误差有关。标尺光栅是由一个个单周期光栅组成的，由于滑台运动的位移值每次不可能正好都是光栅周期的整数倍，所以全长误差必然受单周期计量误差的影响，也就是说单周期计量误差必然会体现在全长计量误差内。又由于光栅单周期计量误差与传感器光电元件性能、栅尺刻线质量、细分补偿算法精度和鲁棒性紧密相关，故而是最能体现传感器系统性能的重要指标。

对于高精度光栅位移传感器，而周期往往在20μm以下，为了能够在传感器全长范围内取样，以测量单周期计量误差，需要运动元件具有纳米级分辨率、米级的量程以及亚微米级的运动精度，即需要解决跨尺度精密定位的问题，这样的成套商用设备价格往往十分昂贵并且对国内禁运。并且此种设备误差模型复杂，不利于误差解耦和分项补偿。

对于光栅位移传感器，其计量误差与安装误差密切相关，在各种安装误差中，读数单元与标尺光栅的相对位姿误差对计量精度影响最大。而单周期计量误差是一种系统误差，为了能够准确测量光栅位移传感器单周期计量误差，必须尽可能地减小人为的安装误差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法，能够全面了解传感器的精度水平，并找出影响传感器精度的关键因素。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置，包括气浮平台、第一测量装置和第二测量装置，所述气浮平台上设有在气浮平台上往复运动的微动平台和运动平台，所述微动平台上固设有标尺光栅，所述运动平台上设有一个产生、接受和处理光信号的读数单元，所述读数单元接近标尺光栅，所述第一测量装置检测标尺光栅和气浮平台的位移，所述第二测量装置检测读数单元和气浮平台之间的位移。

在本发明一个较佳实施例中，所述读数单元包括发光元件、光电转换元件和信号处理模块和指示光栅，所述指示光栅和标尺光栅重叠时产生莫尔条纹。

在本发明一个较佳实施例中，所述运动平台上设有四维光学调整台，所述读数单元安装于四维光学调整台的下端，所述四维光学调整台用于调整读数单元的位姿。

在本发明一个较佳实施例中，所述标尺光栅一端通过固定装置固定在微动平台上，其余部位套设于气浮平台的凹槽内，标尺光栅在凹槽内平移滑动。

在本发明一个较佳实施例中，所述标尺光栅和读数单元呈平行设置，两者间距为0.3-0.6mm。

在本发明一个较佳实施例中，还包括用于运算和存储的服务器以及触发各部件运动的触发装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置的测量方法，包括以下步骤：a．各分立元件的安装与放置：将各部件组成安装；b．调整读数单元和标识光栅的位姿：触发装置触发运动平台运动，使其沿测量方向往复运动，同步触发读数单元，通过服务器同步采集并存储读数单元传出的相差90°的两路正弦信号的电压值序列{A}和{B}；一次往复运动后，停止记录，运用计算机处理信号{A}和{B}，评价与两路信号紧密相关的特征量，用以评价读数单元相对于标尺光栅是否处于正确的位置上；若特征量超过经验上的额定值，则要调整四维光学调整台以达到调整读数单元的位姿，并重复上述测量步骤，直到各个特征量均在额定范围内；c．传感器单周期误差的测量：运动平台相对于气浮平台在全行程范围内往复运动，在各单向运动中随机取k个点，这k个点将作为全行程范围内，光栅位移传感器单周期误差的测量采样点，对于其中的一个采样点m，运用服务器记录读数单元产生并经过处理的位移读数，并同步记录第一测量装置的读数（m=0,1,2,3,… 2k），对于每一个采样点m，以该采样点作为起始点进行单周期误差的测量，首先用触发装置同步触发微动平台、第一测量装置（7）和服务器，令这三个系统同时开始工作，然后令微动平台沿测量方向上往复移动q次，每次的最大位移约为S2，使标尺光栅随之在测量方向上亦相对于读数单元往复运动q次，于此同时，服务器将同步记录q次往复运动下，读数单元产生并经过服务器处理的位移读数序列{}以及第一测量装置的位移读数序列{}；d．传感器单周期误差的评价：对于步骤c中的每一个采样点m（m=0，1，2，3，… 2k），该点的单周期误差用下式计算：，对于整个光栅位移传感器的单周期误差，则用下式表示：。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中标尺光栅，具有平滑的玻璃基底，长度为S1，S1>1m，标尺光栅的栅线周期为T1，T1<200μm；读数单元包括发光元件、光电转换元件、信号处理模块和指示光栅，指示光栅和标尺光栅重叠时会产生莫尔条纹，光栅位移传感器的测长原理为莫尔条纹测长原理，读数单元最终输出4路相差90°的正弦信号或TTL信号；所述微动平台进给方向与测量轴线严格对齐并具有超高的分辨率r，r<5nm，微进给系统的量程为S2，为了能够测量完整的周期，S2>1.5T1；运动平台可以相对气浮平台沿测量轴线往返滑动，总的滑动行程为S3，S3>1.5S1，运动平台沿气浮平台运动的在测量方向上的直线度误差为e1，e1<0.5ppm；四维光学调整台至少包括沿三个轴线的转动自由度Rx,Ry,Rz和移动自由度Sz，Sz是沿标尺光栅（1）和读数单元（2）之间的间隙所在轴线方向的自由度；第一测量装置和第二测量装置测量长度大于10m，测量精度优于±0.5ppm，带有环境补偿模块，允许的被测件最大运动速度高于3m/s。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤b中相差90°的两路正弦信号A和B具有如下特征量：各电压信号单周期内的峰峰值、，各电压信号单周期内的平均值、和两电压信号单周期内的相位差，统计N个周期内的各个特征量，，根据实验经验，若各个特征量的变化范围不超过约5%，即对各个特征量，，若：则视为特征量在额定范围内，可直接进行下一步实验，否则要调整四维光学调整台。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中，随机取k个点作为采样点，5≤k≤10；对于微动平台沿测量方向上往复移动的次数q，1≤q≤5，每次运动的最大位移S2，S2>1.5T1，T1为标尺光栅的栅线周期，T1<200μm；对于读数单元产生并经过处理的位移读数序列{}以及第一测量装置的位移读数序列{}，各个序列所含有的数据的个数由采样频率决定，但二个序列所含有的数据必须具有严格的对应关系，使服务器可以进行运算统计。

本发明的有益效果是：本发明光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法，能够全面了解传感器的精度水平，并找出影响传感器精度的关键因素。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明光栅位移传感器单周期计量误差的装置的测量方法一较佳实施例的原理示意图；

图2是本发明光栅位移传感器单周期计量误差的装置的结构示意图；

图3是本发明两路相差90°的正弦信号的特征量示意图；

附图中各部件的标记如下：1、标尺光栅，2、读数单元，3、气浮平台，4、四维光学调整台，5、运动平台，6、微动平台，7、第一测量装置，8、第二测量装置，9、服务器，10、触发装置，31、凹槽，61、固定装置。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置，包括气浮平台3、第一测量装置7和第二测量装置8，气浮平台3上设有在气浮平台3上往复运动的微动平台6和运动平台5，微动平台6上固设有标尺光栅1，运动平台5上设有一个产生、接受和处理光信号的读数单元2，读数单元2接近标尺光栅1，第一测量装置7检测标尺光栅1和气浮平台3的位移，第二测量装置8检测读数单元2和气浮平台3之间的位移。

另外，读数单元2包括发光元件、光电转换元件和信号处理模块和指示光栅，指示光栅和标尺光栅1重叠时产生莫尔条纹。

另外，运动平台5上设有四维光学调整台4，读数单元2安装于四维光学调整台4的下端，四维光学调整台4用于调整读数单元2的位姿。

另外，标尺光栅1一端通过固定装61置固定在微动平台6上，其余部位套设于气浮平台3的凹槽31内，标尺光栅1在凹槽31内平移滑动。

另外，标尺光栅1和读数单元2呈平行设置，两者间距为0.3-0.6mm。

另外，还包括用于运算和存储的服务器9以及触发各部件运动的触发装置10。

一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置的测量方法，包括以下步骤：a．各分立元件的安装与放置：将各部件组成安装；b．调整读数单元2和标识光栅1的位姿：触发装置10触发运动平台5运动，使其沿测量方向往复运动，同步触发读数单元2，通过服务器9同步采集并存储读数单元2传出的相差90°的两路正弦信号的电压值序列{A}和{B}；一次往复运动后，停止记录，运用计算机处理信号{A}和{B}，评价与两路信号紧密相关的特征量，用以评价读数单元相对于标尺光栅1是否处于正确的位置上；若特征量超过经验上的额定值，则要调整四维光学调整台4以达到调整读数单元2的位姿，并重复上述测量步骤，直到各个特征量均在额定范围内；c．传感器单周期误差的测量：运动平台5相对于气浮平台3在全行程范围内往复运动，在各单向运动中随机取k个点，这k个点将作为全行程范围内，光栅位移传感器单周期误差的测量采样点，对于其中的一个采样点m，运用服务器9记录读数单元产生并经过处理的位移读数，并同步记录第一测量装置7的读数（m=0,1,2,3,… 2k），对于每一个采样点m，以该采样点作为起始点进行单周期误差的测量，首先用触发装置10同步触发微动平台6、第一测量装置7和服务器9，令这三个系统同时开始工作，然后令微动平台6沿测量方向上往复移动q次，每次的最大位移约为S2，使标尺光栅随之在测量方向上亦相对于读数单元往复运动q次，于此同时，服务器9将同步记录q次往复运动下，读数单元2产生并经过服务器9处理的位移读数序列{}以及第一测量装置7的位移读数序列{}；d．传感器单周期误差的评价：对于步骤c中的每一个采样点m（m=0，1，2，3，… 2k），该点的单周期误差用下式计算：，对于整个光栅位移传感器的单周期误差，则用下式表示：。

另外，步骤a中标尺光栅1，具有平滑的玻璃基底，长度为S1，S1>1m，标尺光栅1的栅线周期为T1，T1<200μm；读数单元2包括发光元件、光电转换元件、信号处理模块和指示光栅，指示光栅和标尺光栅重叠时会产生莫尔条纹，光栅位移传感器的测长原理为莫尔条纹测长原理，读数单元2最终输出4路相差90°的正弦信号或TTL信号；微动平台6进给方向与测量轴线严格对齐并具有超高的分辨率r，r<5nm，微进给系统的量程为S2，为了能够测量完整的周期，S2>1.5T1；运动平台5可以相对气浮平台沿测量轴线往返滑动，总的滑动行程为S3，S3>1.5S1，运动平台5沿气浮平台3运动的在测量方向上的直线度误差为e1，e1<0.5ppm；四维光学调整台4至少包括沿三个轴线的转动自由度Rx,Ry,Rz和移动自由度Sz，Sz是沿标尺光栅1和读数单元2之间的间隙所在轴线方向的自由度；第一测量装置7和第二测量装置测量8长度大于10m，测量精度优于±0.5ppm，带有环境补偿模块，允许的被测件最大运动速度高于3m/s。

另外，步骤b中相差90°的两路正弦信号A和B具有如下特征量：各电压信号单周期内的峰峰值、，各电压信号单周期内的平均值、和两电压信号单周期内的相位差，统计N个周期内的各个特征量，，根据实验经验，若各个特征量的变化范围不超过约5%，即对各个特征量，，若：则视为特征量在额定范围内，可直接进行下一步实验，否则要调整四维光学调整台4。

另外，步骤c中，随机取k个点作为采样点，5≤k≤10；对于微动平台6沿测量方向上往复移动的次数q，1≤q≤5，每次运动的最大位移S2，S2>1.5T1，T1为标尺光栅的栅线周期，T1<200μm；对于读数单元2产生并经过处理的位移读数序列{}以及第一测量装置7的位移读数序列{}，各个序列所含有的数据的个数由采样频率决定，但二个序列所含有的数据必须具有严格的对应关系，使服务器9可以进行运算统计。测量装置为激光干涉仪，如需进一步提高测长精度，可以将设备置于恒温恒湿间并用氦氖激光标定设备进行测长，其它所用到的设备均可依据所需设定。

本发明工作原理如下：

(1)各分立元件的安装与放置：如图3，借助于固定装置61，将标尺光栅1一端固定在微动平台6上，并整体嵌套于凹槽31中，将读数单元2固定在四维光学调整台4上，并将其作为整体，固定在运动平台5上。目测读数单元2与标尺光栅1基本平行并具有大概0.5mm的间距。调整好第一测量装置7和第二测量装置8，使第一测量装置7可以检测标尺光栅1相对于气浮平台3的位移，第二测量装置8可以检测读数单元2相对于气浮平台3的位移。

(2)读数单元与标尺光栅相对位姿的调整：

用触发装置1触发运动平台5，使之沿测量方向往复运动，同步触发读数单元2，运用服务器9同步采集并存储读数单元2传出的相差90°的两路正弦信号的电压值序列{A}和{B}；1次往复运动后，停止记录，运用采集服务器9处理信号{A}和{B}，如图2评价与两路信号紧密相关的如下特征量：各电压信号单周期内的峰峰值、，各电压信号单周期内的平均值、和两电压信号单周期内的相位差，统计约60000个周期内的各个特征量，若各个特征量的变化范围不超过约5%，即对各个特征量，，若：，则视为特征量在额定范围内，可直接进行下一步实验。若超过经验上的额定值，则要调整四维光学调整台4以达到调整读数单元位姿的目的，并重复上述测量步骤，直到各个特征量均在额定范围内。

(3) 传感器单周期误差的测量：

如图1，运动平台5相对于气浮平台3在全行程范围内往复运动，在各单向运动中随机取5个点，这5个点将作为全行程范围内，反射式长光栅位移传感器单周期误差的测量采样点，对于其中的一个采样点m，运用服务器9记录读数单元产生并经过处理的位移读数并同步记录第二测量装置8的读数（m=0,1,2,3,… 2k），对于每一个采样点m，以该采样点作为起始点进行单周期误差的测量，首先用触发装置10同步触发微动平台6、第一测量装置7和服务器9，令这三个系统同时开始工作，然后令微动平台6沿测量方向上往复移动3次，设置每次采样时间30s，采样频率3kHZ，每次的最大位移约为40μm，其中10μm用来预紧柔性微位移平台。这样，标尺光栅1随之在测量方向上亦相对于读数单元往复运动3次，于此同时，服务器9将同步记录3次往复运动下，读数单元产生并经过服务器9处理的位移读数序列{}以及第一测量数据7的位移读数序列{}。对于运动平台5，其对标尺光栅1输出的3次位移激励，对时间的曲线分别为正弦函数曲线、余弦函数曲线和三角波曲线。

(4) 传感器单周期误差的评价：

对于步骤（3）中的每一个采样点m（m=0,1,2,3,… 2k），该点的单周期误差用下式计算：。对于整个反射式长光栅位移传感器的单周期误差，则用下式表示：。

所用的测长装置为激光干涉仪，如需进一步提高测长精度，可以将设备置于恒温恒湿间并用氦氖激光标定设备进行测长，其它所用到的设备均可依据所需设定。

区别于现有技术，本发明光栅位移传感器单周期计量误差的装置及其测量方法，能够全面了解传感器的精度水平，并找出影响传感器精度的关键因素。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光栅位移传感器单周期计量误差的装置，其特征在于，包括气浮平台、第一测量装置和第二测量装置，所述气浮平台上设有在气浮平台上往复运动的微动平台和运动平台，所述微动平台上固设有标尺光栅，所述运动平台上设有一个产生、接受和处理光信号的读数单元，所述读数单元接近标尺光栅，所述第一测量装置检测标尺光栅和气浮平台的位移，所述第二测量装置检测读数单元和气浮平台之间的位移。

2.根据权利要求1所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置，所述读数单元包括发光元件、光电转换元件和信号处理模块和指示光栅，所述指示光栅和标尺光栅重叠时产生莫尔条纹。

3.根据权利要求2所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置，其特征在于，所述运动平台上设有四维光学调整台，所述读数单元安装于四维光学调整台的下端，所述四维光学调整台用于调整读数单元的位姿。

4.根据权利要求2所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置，其特征在于，所述标尺光栅一端通过固定装置固定在微动平台上，其余部位套设于气浮平台的凹槽内，标尺光栅在凹槽内平移滑动。

5.根据权利要求3所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置，其特征在于，所述标尺光栅和读数单元呈平行设置，两者间距为0.3-0.6mm。

6.根据权利要求1-5任一所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置，其特征在于，还包括用于运算和存储的服务器以及触发各部件运动的触发装置。

7.一种根据权利要求1所述的光栅位移传感器单周期计量误差的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a．各分立元件的安装与放置：将各部件组成安装；

b．调整读数单元和标识光栅的位姿：触发装置触发运动平台运动，使其沿测量方向往复运动，同步触发读数单元，通过服务器同步采集并存储读数单元传出的相差90°的两路正弦信号的电压值序列{A}和{B}；一次往复运动后，停止记录，运用计算机处理信号{A}和{B}，评价与两路信号紧密相关的特征量，用以评价读数单元相对于标尺光栅是否处于正确的位置上；若特征量超过经验上的额定值，则要调整四维光学调整台以达到调整读数单元的位姿，并重复上述测量步骤，直到各个特征量均在额定范围内；

c．传感器单周期误差的测量：运动平台相对于气浮平台在全行程范围内往复运动，在各单向运动中随机取k个点，这k个点将作为全行程范围内，光栅位移传感器单周期误差的测量采样点，对于其中的一个采样点m，运用服务器记录读数单元产生并经过处理的位移读数，并同步记录第一测量装置的读数（m=0,1,2,3,… 2k），对于每一个采样点m，以该采样点作为起始点进行单周期误差的测量，首先用触发装置同步触发微动平台、第一测量装置（7）和服务器，令这三个系统同时开始工作，然后令微动平台沿测量方向上往复移动q次，每次的最大位移约为S2，使标尺光栅随之在测量方向上亦相对于读数单元往复运动q次，于此同时，服务器将同步记录q次往复运动下，读数单元产生并经过服务器处理的位移读数序列{}以及第一测量装置的位移读数序列{}；

d．传感器单周期误差的评价：对于步骤c中的每一个采样点m（m=0，1，2，3，… 2k），该点的单周期误差用下式计算：，对于整个光栅位移传感器的单周期误差，则用下式表示：。

8.根据权利要求7所述的栅位移传感器单周期计量误差的测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤a中标尺光栅，具有平滑的玻璃基底，长度为S1，S1>1m，标尺光栅的栅线周期为T1，T1<200μm；读数单元包括发光元件、光电转换元件、信号处理模块和指示光栅，指示光栅和标尺光栅重叠时会产生莫尔条纹，光栅位移传感器的测长原理为莫尔条纹测长原理，读数单元最终输出4路相差90°的正弦信号或TTL信号；所述微动平台进给方向与测量轴线严格对齐并具有超高的分辨率r，r<5nm，微进给系统的量程为S2，为了能够测量完整的周期，S2>1.5T1；运动平台可以相对气浮平台沿测量轴线往返滑动，总的滑动行程为S3，S3>1.5S1，运动平台沿气浮平台运动的在测量方向上的直线度误差为e1，e1<0.5ppm；四维光学调整台至少包括沿三个轴线的转动自由度Rx,Ry,Rz和移动自由度Sz，Sz是沿标尺光栅（1）和读数单元（2）之间的间隙所在轴线方向的自由度；第一测量装置和第二测量装置测量长度大于10m，测量精度优于±0.5ppm，带有环境补偿模块，允许的被测件最大运动速度高于3m/s。

9.根据权利要求7所述的栅位移传感器单周期计量误差的测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤b中相差90°的两路正弦信号A和B具有如下特征量：各电压信号单周期内的峰值、，各电压信号单周期内的平均值、和两电压信号单周期内的相位差，统计N个周期内的各个特征量，，根据实验经验，若各个特征量的变化范围不超过约5%，即对各个特征量，，若：则视为特征量在额定范围内，可直接进行下一步实验，否则要调整四维光学调整台。

10.根据权利要求7所述的栅位移传感器单周期计量误差的测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤c中，随机取k个点作为采样点，5≤k≤10；对于微动平台沿测量方向上往复移动的次数q，1≤q≤5，每次运动的最大位移S2，S2>1.5T1，T1为标尺光栅的栅线周期，T1<200μm；对于读数单元产生并经过处理的位移读数序列{}以及第一测量装置的位移读数序列{}，各个序列所含有的数据的个数由采样频率决定，但二个序列所含有的数据必须具有严格的对应关系，使服务器可以进行运算统计。