CN1185462C - 一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置，其中，非线性误差补偿单元包括特性相同的二个光电二极管，光电二极管关于杠杆对称放置，狭缝及光源与杠杆在同一平面内且关于杠杆对称；光程差细分判向计数电路的一端与干涉测量单元中的光电接收器相连，另一端与数据处理装置相连；绝对零位信号产生电路的一端与非线性误差补偿单元中的光电二极管相连，另一端与上述数据处理装置相连。采用该装置后可使原系统的精度从原有的2%提高到0.1%，系统实现简单，以极低的成本实现了系统精度的大幅度提升，并由此进一步扩大了该结构单元的应用领域。

Description

一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置，该装置通过对精密几何量(位移、角度)测量中采用的如附图1所示的干涉单元的非线性系统理论误差进行补偿，可以将测量精度从原有的2％提高到0.1％。

背景技术

附图1所示的以角锥棱镜为核心器件的干涉测量单元，因其在很宽的范围内都能产生干涉条纹([1]干涉测试技术，王文生，兵器工业出版社，1992，4。[2]激光测量技术，孙长库，叶声华编著，天津大学出版社，2001，7。)而被广泛应用于精密几何量(位移、角度)测量仪器中([3]英国Taylor Hobson公司，Talysurf2，Talysurf5型表面轮廓仪。[4]美国Brown-Boveri公司激光干涉仪。)。

传统的应用方法为了降低系统的复杂度，在±5°的工作范围内都是将触针的相对位移Δy近似为光程差ΔS的线性函数，然而Δy与ΔS的函数关系在本质上是非线性的，作线性近似处理必然会带来非线性误差。正是这种非线性误差的存在，使得其测量精度与应用范围受到了很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置，该装置可以大幅度地提高现有的干涉测量单元的测量精度，拓宽其应用范围。

为实现上述发明目的，一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置，包括非线性误差补偿单元、绝对零位信号产生电路、光程差细分判向计数电路和设有光程差—位移查找表的数据处理装置；非线性误差补偿单元包括特性相同的两个光电二极管，两个光电二极管关于杠杆对称放置，狭缝及光源在杠杆处于水平时与杠杆在同一平面内，光源通过方向水平的狭缝对两个光电二极管进行照明；光程差细分判向计数电路的一端与干涉测量单元中的光电接收器相连，另一端与数据处理装置相连；绝对零位信号产生电路的一端与非线性误差补偿单元中的光电二极管相连，另一端与上述数据处理装置相连。

本发明采用了绝对零位与查找表相结合的技术，完成了对该种系统非线性误差的补偿。同采用多项式拟合的非线性误差补偿方法相比，本装置具有实现简单，不影响原有系统测量速度的优点。采用该装置后可使系统的精度从原有的2％提高到0.1％，系统实现简单，以极低的成本实现的系统精度的大幅度提升，并由此进一步扩大了该结构单元的应用领域。

附图说明

图1为本发明所补偿的干涉测量单元结构示意图(图中：1.触针2.参考镜3.λ/4波片4.分光镜5.直角棱镜6.激光光源7.光电接收器8.反射镜9.角锥棱镜10.支点11.杠杆)；

图2为推导关系公式时用到的结构单元简化图；

图3为本发明所采用的补偿单元的结构示意图；

图4为本发明的实现原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

各个结构单元的尺寸采用附图2所示的符号表示时，则可以得出光程差及位移与杠杆与水平方向的夹角θ之间的函数关系以及两者之间的关系为：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{d\θ}}=-2[(-(l_2+\frac{\sqrt{6}}{3}a)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}a\cos \left(\mathrm{\θ}\right))\tan \left(\mathrm{\θ}\right)+(l_2+\frac{\sqrt{6}}{3}a)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\frac{1}{\sqrt{3}}a\sin \left(\mathrm{\θ}\right))\frac{1}{{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}]----\left(1\right)$

$-\frac{2\sqrt{3}a\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{3\mathrm{co}{s}^2\left(\mathrm{\θ}\right)}$

$\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{d\θ}}=-l_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{\ΔS}}{\mathrm{\Δy}}=\frac{2\left[\right(-(l_2+\frac{\sqrt{6}}{3}a)\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}+\frac{1}{\sqrt{3}}a\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+(l_2+\frac{\sqrt{6}}{3}a)\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}]+\frac{4\sqrt{3}a\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{3{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}{l_1\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}----\left(3\right)$

如附图3所示，在杠杆11的一端上下对称的布置两个特性一致的光电二极管，以一个均匀的光源通过一个方向水平的狭缝对其进行照明，两个光电二极管的光强信号送入后续的由通用放大电路和查分电路构成的绝对零位信号产生电路，将该电路的输出作为系统的绝对零位信号。显然，只有当杠杆11处于水平位置时，绝对零位信号的值为0。

在系统结构尺寸给定后，我们令θ以很小的间隔从0°开始向正、负两个方向变化，利用(1)式和(2)式分别求出从绝对零位开始到当前位置的Δy与ΔS的值，将对应的值对存入光程差—位移查找表。在测量时，根据当前的光程差ΔS，可以从表中查得对应的Δy值，从而完成了系统的非线性校正。

本发明包括非线性误差补偿单元、绝对零位信号产生电路15、光程差细分判向计数电路16和装有光程差—位移查找表的数据处理装置17。非线性误差补偿单元如附图3所示，两个光电二极管12的特性要非常一致，两个光电二极管关于杠杆11对称放置，狭缝13及光源14在杠杆11处于水平时与杠杆在同一平面内，以一个均匀的光源14通过一个方向水平的狭缝13对两个光电二极管12进行照明，狭缝13及光源14固连于结构单元的外壳，结构单元的光学元件如附图3所示进行布置。

如附图4所示，干涉测量单元产生的干涉条纹被后续的光程差细分判向计数电路接收后送往数据处理装置，数据处理装置可以是计算机、单片机和专用芯片等，它根据内部的光程差——位移查找表得出当前位置相对绝对零位的位移。干涉测量单元中的部分结构(杠杆、外壳)和非线性误差补偿单元一起产生反映绝对零位信号的光强信号，经后续的绝对零位信号产生电路处理后，送入数据处理装置，系统根据此信号判断当前是否处于绝对零位状态。

测量时，首先通过驱动沿Z方向运动的位移机构，使得被测物与触针1接触且补偿单元产生的绝对零位信号为0值。开始测量时，通过光电接收器7及其后续的光程差细分判向计数电路得出当前位置相对绝对零位的光程差ΔS，再通过查找表求出当前的相对高度变化Δy，从而完成系统的测量工作。

Claims (1)

1.一种用于干涉测量单元的非线性误差补偿装置，包括非线性误差补偿单元、绝对零位信号产生电路(15)、光程差细分判向计数电路(16)和设有光程差—位移查找表的数据处理装置(17)；

非线性误差补偿单元包括特性相同的两个光电二极管(12)，两个光电二极管(12)关于杠杆(11)上下对称放置，狭缝(13)及光源(14)在杠杆(11)处于水平时与杠杆在同一平面内，光源(14)通过方向水平的狭缝(13)对两个光电二极管(12)进行照明；

光程差细分判向计数电路(16)的一端与干涉测量单元中的光电接收器(7)相连，另一端与数据处理装置(17)相连；

绝对零位信号产生电路(15)的一端与非线性误差补偿单元中的两个光电二极管(12)相连，另一端与上述数据处理装置(17)相连。

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