CN116930554A - 一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法，系统包括激光测振仪、振动实验台、激励信号源、电机驱动器、数据采集卡以及上位机。振动实验台的致动器由音圈电机和压电陶瓷组成。致动器由激励信号源控制，受电机驱动器驱动出力推动负载平台振动。负载平台两端与气浮导轨相连，气浮导轨受气源供气，使负载平台能保持在竖直方向上无摩擦的单自由度振动。将速度传感器与负载平台连接，其输出接数据采集卡上并传回上位机。激光测振仪对负载平台进行测量，并作为标定基准与速度传感器测量结果进行比对。该系统将经过标定满足使用要求的传感器用于主动隔振器反馈环节，可极大增强隔振器的隔振效果，使隔振器能有效隔离外界微振动。

Description

一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及对传感器的标定系统设计技术领域，尤其涉及一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法。

背景技术

光刻机是半导体芯片生产制造的主要设备之一，被誉为半导体制造业皇冠上的明珠，其加工精度可以达到纳米级别。在光刻机的超精密加工中，外界微振对其加工过程具有不良影响。为隔离外界的微振扰动，需要为光刻机配备隔振系统。隔振器的工作方式一般分为被动隔振和主动隔振。相较于被动隔振是依靠其内部的弹性元件和阻尼元件对振动进行隔离；主动隔振则通过对其中的力作动器施加控制算法以产生一个主动力来抵消外界振动。这种隔振器具有更小的传递率和更宽的隔振带宽，因此光刻机等精密仪器中普遍使用主动隔振器作为隔振装置。

主动隔振装置使用速度传感器做闭环反馈环节。速度传感器测量外界微振动信号，经反馈回路被控制系统采集，而后控制系统做出响应，产生主动力以抵消微振动。速度传感器的测量准确度极大影响着主动隔振装置的隔振效果。

发明内容

针对现有技术的技术问题或改进需求，本发明提出了一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法。所述系统和方法可检测隔振器中速度传感器的带宽和测量误差是否满足使用要求，防止由于传感器的带宽不够或测量误差较大导致传感器测量不准而影响隔振器的反馈环节，进而影响隔振器的隔振效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统，所述系统包括：激光测振仪、振动实验台、激励信号源、电机驱动器，数据采集卡以及上位机；

所述的激光测振仪在标定系统中作为振动测量的基准参考源，通过比较速度传感器与激光测振仪的测量结果来对速度传感器进行标定；该激光测振仪采用激光多普勒测振原理，能够感应物体的微振动，能够测量高精度和测量大带宽；在标定系统中所用的激光测振仪可与上位机通信，将测量数据实时传回至上位机中；

所述的振动实验台在标定系统中作为振动源；该振动实验台的具体结构包括：负载平台、基座、气浮导轨，弹簧重力补偿器以及复合主动致动器；被标定速度传感器与振动试验台的负载平台部分相连接，且连接方式采用刚性连接；负载平台两端与气浮导轨连接，使负载平台沿竖直方向单自由度运动；弹簧重力补偿器连接负载平台和基座，用于对负载平台进行重力补偿；复合主动致动器由音圈电机和压电陶瓷串联组成；该振动试验台可受电流激励而产生振动，振动频率和幅值与电流频率和大小有关；

所述的激励信号源作为控制振动实验台振动的激励信号，该激励信号源的信号频率和幅值是可控的；

所述的电机驱动器将激励信号进行线性放大，用于驱动振动实验台的复合主动致动器进行出力；

所述的数据采集卡用于采集速度传感器的电压信号，并进行模数转换，传回上位机；

所述的上位机用于接收激光测振仪和数据采集卡传回的数据，并对数据进行显示、处理与比较。

进一步地，所述复合主动致动器受激励信号源控制，受电机驱动器驱动出力推动负载平台进行给定频率的振动。

进一步地，气源通过气管为气浮导轨供气。

进一步地，所述激光测振仪与上位机直接连接，并将激光打在负载平台上，实时向上位机传回测量结果。

本发明还提出一种根据所述的用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统的标定方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、给振动实验台的气浮导轨接通气源，确保负载平台沿竖直方向单自由度振动，且振动过程无摩擦；

步骤二、确保激光测振仪与上位机，速度传感器与数据采集卡，数据采集卡与上位机的连接正常，给出从0.5Hz到100Hz的扫频激励信号，并经电机驱动器线性放大后驱动振动实验台的复合主动致动器对负载平台出力，推动负载平台进行给出频率下的振动；

步骤三、使用激光测振仪和速度传感器同时对负载平台的振动进行测量，并将测量结果发送至上位机中；

步骤四、将激光测振仪的测量结果作为标准，对比速度传感器测量结果与激光测振仪测量结果的一致性；对比内容包括：

1.波形的一致性；

2.测量结果的最大绝对误差；

3.将两组测量结果做FFT，在频域下分析速度传感器的带宽参数。

本发明的有益效果为：

本发明提出的标定系统由信号源和电机驱动器驱动振动实验台产生振动，并由速度传感器和激光测振仪同时对振动实验台的振动进行测量。通过数据采集卡采集速度传感器的测量数据并传至上位机，与激光测振仪的测量结果进行比较。以此对速度传感器进行标定。使用该标定系统对速度传感器进行标定，可有效评估与验证速度传感器性能，装有该标定过的速度传感器的隔振器工作更加可靠，为光刻机超精密加工提供了重要的环境保障。

附图说明

图1为本申请所述的一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统的工作原理图；

图2为本申请所述的一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统的结构示意图；

图3为振动实验台的结构示意图；

图中1.激光测振仪，2.速度传感器，3.振动实验台，4.激励信号源，5.电机驱动器，6.数据采集卡，7.上位机，8.气源，9.负载平台，10.振动台基座，11.气浮导轨，12.弹簧重力补偿器，13.音圈电机，14.压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统及标定方法，标定系统包括激光测振仪、振动实验台、激励信号源、电机驱动器，数据采集卡以及上位机。振动实验台的致动器部分由音圈电机和压电陶瓷串联组成。致动器由激励信号源控制，受电机驱动器驱动出力推动负载平台振动。负载平台两端与气浮导轨相连，气浮导轨受气源供气，使负载平台能保持在竖直方向上无摩擦的单自由度振动。将速度传感器与负载平台刚性连接，其输出接在数据采集卡上并传回上位机。激光测振仪对负载平台进行测量，并作为标定基准与速度传感器测量结果进行比对。该标定系统可对传感器的性能进行评估与验证。将经过标定满足使用要求的传感器用于主动隔振器反馈环节，可极大增强隔振器的隔振效果，使隔振器能有效隔离外界微振动。

本发明具体提出一种应用于隔振器的速度传感器标定系统，包括激光测振仪、振动实验台、激励信号源、电机驱动器，数据采集卡以及上位机。

所述的激光测振仪在标定系统中是作为振动测量的基准参考源，通过比较速度传感器与激光测振仪的测量结果来对速度传感器进行标定。该激光测振仪采用激光多普勒测振原理，能够感应物体的微振动，能够测量高精度和测量大带宽。在标定系统中所用的激光测振仪可与上位机通信，将测量数据实时传回至上位机中。

所述的振动实验台在标定系统中作为振动源。该振动实验台的具体结构包括：负载平台、基座、气浮导轨，弹簧重力补偿器以及复合主动致动器。被标定速度传感器与振动试验台的负载平台部分相连接，且连接方式采用刚性连接。负载平台两端与气浮导轨连接，使负载平台沿竖直方向单自由度运动。弹簧重力补偿器连接负载平台和基座，用于对负载平台进行重力补偿。复合主动致动器由音圈电机和压电陶瓷串联组成。音圈电机具有长行程和零刚度的优点，但它只能工作在低频段，分辨力不高。压电陶瓷致动器宽频带和极高分辨力的优点，但其行程只有数十微米。复合型致动器将音圈电机和压电陶瓷串联，结合了音圈电机和压电陶瓷致动器的优点，实现宽频带、高分辨力和大行程。该振动试验台可受电流激励而产生振动。振动频率和幅值与电流频率和大小有关。

所述的激励信号源作为控制振动实验台振动的激励信号，该激励信号源的信号频率和幅值是可控的。

所述的电机驱动器将激励信号进行线性放大，用于驱动振动实验台的复合主动致动器进行出力。

所述的数据采集卡用于采集速度传感器的电压信号，并进行模数转换，传回上位机。

所述的上位机用于接收激光测振仪和数据采集卡传回的数据，并对数据进行显示、处理与比较。

实施例

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本发明为一种应用于主动隔振器的速度传感器标定系统，其工作原理图如图1所示。其结构示意图如图2所示。振动试验台的结构示意图如图3所示。

振动实验台的具体结构为：包括由音圈电机13和压电陶瓷14串联构成的复合型主动致动器。该致动器受激励信号源4控制，受电机驱动器5驱动出力推动负载平台9进行给定频率的振动。弹簧重力补偿器12与振动台基座10连接，用于对负载平台9进行重力补偿，消除负载平台重力对振动的影响。负载平台9两端还与气浮导轨11相连，使负载平台能沿竖直方向单自由度运动。气源8通过气管为气浮导轨11供气。

激光测振仪采用多普勒测振原理，具有高精度和大带宽优点，其测量结果将作为整个标定系统的基准源。激光测振仪与上位机直接连接，并将激光打在负载平台上，实时向上位机传回测量结果。

速度传感器与负载平台刚性相连，并将输出与数据采集卡进行连接。采集卡将速度传感器的模拟量输出转换为数字量，传回上位机，并供上位机进行数据显示与处理。

利用该发明的标定系统对速度传感器的标定流程如下：

步骤一、给振动实验台的气浮导轨接通气源，确保负载平台沿竖直方向单自由度振动，且振动过程无摩擦；

步骤二、确保激光测振仪与上位机，速度传感器与数据采集卡，数据采集卡与上位机的连接正常，给出从0.5Hz到100Hz的扫频激励信号，并经电机驱动器线性放大后驱动振动实验台的主动致动器对负载平台出力，推动负载平台进行给出频率下的振动。

步骤三、使用激光测振仪和速度传感器同时对负载平台的振动进行测量，并将测量结果发送至上位机中。

步骤四、将激光测振仪的测量结果作为标准，对比速度传感器测量结果与激光测振仪测量结果的一致性。对比内容包括：

1.波形的一致性；

2.测量结果的最大绝对误差；

3.将两组测量结果做FFT，在频域下分析速度传感器的带宽等参数。

本发明设计了一种应用于主动隔振器的速度传感器标定系统，设计了振动实验台作为振动源，使用激光测振仪作为测量标准，对速度传感器进行标定。该系统可有效对传感器性能进行评估和验证。经标定后的传感器用于主动隔振器，可有效对外界微振扰动进行反馈，使隔振器能工作在更加有效的状态，为光刻机提供了重要的环境保障。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统，其特征在于，所述系统包括：激光测振仪、振动实验台、激励信号源、电机驱动器，数据采集卡以及上位机；

所述的激光测振仪在标定系统中作为振动测量的基准参考源，通过比较速度传感器与激光测振仪的测量结果来对速度传感器进行标定；该激光测振仪采用激光多普勒测振原理，能够感应物体的微振动，能够测量高精度和测量大带宽；在标定系统中所用的激光测振仪可与上位机通信，将测量数据实时传回至上位机中；

所述的振动实验台在标定系统中作为振动源；该振动实验台的具体结构包括：负载平台、基座、气浮导轨，弹簧重力补偿器以及复合主动致动器；被标定速度传感器与振动试验台的负载平台部分相连接，且连接方式采用刚性连接；负载平台两端与气浮导轨连接，使负载平台沿竖直方向单自由度运动；弹簧重力补偿器连接负载平台和基座，用于对负载平台进行重力补偿；复合主动致动器由音圈电机和压电陶瓷串联组成；该振动试验台可受电流激励而产生振动，振动频率和幅值与电流频率和大小有关；

所述的激励信号源作为控制振动实验台振动的激励信号，该激励信号源的信号频率和幅值是可控的；

所述的电机驱动器将激励信号进行线性放大，用于驱动振动实验台的复合主动致动器进行出力；

所述的数据采集卡用于采集速度传感器的电压信号，并进行模数转换，传回上位机；

所述的上位机用于接收激光测振仪和数据采集卡传回的数据，并对数据进行显示、处理与比较。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述复合主动致动器受激励信号源控制，受电机驱动器驱动出力推动负载平台进行给定频率的振动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：气源通过气管为气浮导轨供气。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述激光测振仪与上位机直接连接，并将激光打在负载平台上，实时向上位机传回测量结果。

5.一种根据权利要求1所述的用于精密仪器隔振器的速度传感器标定系统的标定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、给振动实验台的气浮导轨接通气源，确保负载平台沿竖直方向单自由度振动，且振动过程无摩擦；

步骤二、确保激光测振仪与上位机，速度传感器与数据采集卡，数据采集卡与上位机的连接正常，给出从0.5Hz到100Hz的扫频激励信号，并经电机驱动器线性放大后驱动振动实验台的复合主动致动器对负载平台出力，推动负载平台进行给出频率下的振动；

步骤三、使用激光测振仪和速度传感器同时对负载平台的振动进行测量，并将测量结果发送至上位机中；

步骤四、将激光测振仪的测量结果作为标准，对比速度传感器测量结果与激光测振仪测量结果的一致性；对比内容包括：

1.波形的一致性；

2.测量结果的最大绝对误差；

3.将两组测量结果做FFT，在频域下分析速度传感器的带宽参数。