CN102607429A - 光栅线位移测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅线位移测量方法及测量装置，该方法首先使扫描单元相对于标尺光栅在测量方向上以设定间隔移动，每移动到一个测量位置，信号处理单元计算出位置原始测量值，同时利用激光测长干涉仪得到位置精确测量值，并由此得到测量误差数据；然后基于误差拟合曲线得到标尺光栅的栅线刻划误差数据，并将其固化于位置误差数据存储单元。实际测量时，光栅线位移测量装置的位置误差修正单元利用误差数据存储单元中的栅线刻划误差数据对信号处理单元计算出的位置原始测量值进行修正，得到位置测量修正值。本发明利用栅线刻划误差数据对光栅线位移测量装置获得的每一位置原始测量值进行误差修正，提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

Description

光栅线位移测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种光栅线位移测量方法及测量装置。

背景技术

光栅线位移测量装置由于其测量精度高的特点被应用于各种领域，随着科学技术的发展，对测量精度提出更高要求，因此，提高测量精度一直是人们努力追求的方向。

目前使用的光栅线位移测量装置包括：标尺光栅、扫描单元、信号处理单元。扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上运动；标尺光栅测量方向上刻有代表位置信息的编码字，标尺光栅作为位置测量的基准；扫描单元包括发光单元和光信号接收单元，发光单元产生的平行光将标尺光栅上的编码字投影于光信号接收单元，光信号接收单元完成编码字的光电转换，信号处理单元提取并处理光信号接收单元形成的编码信号，基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值；原始测量值通过位置数据输出单元以数字形式输出。

光栅线位移测量装置的测量误差表现形式有两种：周期内误差和全长误差。所谓周期内误差，即是增量式光栅的栅距内的误差，影响周期内误差的主要因素有：光源信号的准直性、光电转换元件性能的波动、光栅副间隙变化、光栅刻线的毛刺、弯曲、缺损等缺陷和弱衍射作用等。为提高周期内测量精度，常采取以下措施：对正余弦信号进行插值细分、对正余弦信号的相位补偿、直流电平漂移的补偿、通过光学或电子学的方法滤掉高次谐波以提高信号正弦性、提高光源的准直性等。影响全长误差的主要因素是：标尺光栅在编码栅线制作时，由于工艺原因所引起的在全长范围内的栅线位置误差。为了减小这种全长误差，人们期望通过改进标尺光栅的刻划工艺水平来达到目的，但由于工艺水平改进所需成本高、难度大等原因而难于实现。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种能够提高全长测量范围测量精度的光栅线位移测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的光栅线位移测量方法包括下述步骤：

1)将扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上移动；

2)扫描单元相对于标尺光栅在测量方向上以设定间隔移动，每移动到一个测量位置，信号处理单元提取并处理扫描单元的光信号接收单元形成的编码信号，并基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值N_i(i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小)；同时，利用激光测长干涉仪同步测量，得到可移动部件位置精确测量值N_i′(i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小)；

3)将信号处理单元与激光测长干涉仪在全长范围内的测量结果进行一一比对，得到测量误差数据ΔN_i＝N_i-N_i′，从而形成测量误差数据表；

4)基于形成的测量误差数据进行误差曲线拟合，获得误差变化轨迹；

5)基于误差拟合曲线，得到以标尺光栅的位置编码信号经细分后的最高分辨率为间隔的栅线刻划误差数据ΔN_j(j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅全长范围内的数据量大小)，生成栅线刻划误差数据表，并将表中数据固化于位置误差数据存储单元；

6)实际测量可移动部件位移时，位置误差修正单元根据关系式(1)，利用误差数据存储单元中的栅线刻划误差数据ΔN_j对信号处理单元计算出的可移动部件位置原始测量值N_j进行修正，得到可移动部件位置测量修正值N_j′；

N_j′＝N_j+ΔN_j    (1)

。

标尺光栅作为光栅线位移测量装置中的位置基准部件，在进行编码栅线制作时，会在全长范围内形成栅线位置误差，这种栅线位置误差属于固有误差或***误差。本发明利用现有技术的光栅线位移测量装置获得全长范围内可移动部件的多个位置原始测量值，同时利用激光测长干涉仪同步测量获得全长范围内对应的可移动部件位置精确测量值，从而得到在全长范围内的栅线刻划误差数据，建立栅线刻划误差数据表。实际测量时，利用栅线刻划误差数据即可对光栅线位移测量装置获得的每一位置原始测量值进行误差修正，从而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种全长范围测量精度高的光栅线位移测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明的光栅线位移测量装置包括标尺光栅、扫描单元、信号处理单元、位置误差数据存储单元、位置误差修正单元；所述扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上运动；扫描单元包括发光单元和光信号接收单元，发光单元产生的平行光将标尺光栅上的编码字投影于光信号接收单元，光信号接收单元完成编码字的光电转换，信号处理单元提取并处理光信号接收单元形成的编码信号，基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值N_j；位置误差修正单元根据关系式(1)，利用位置误差数据存储单元存放的栅线刻划误差数据对可移动部件位置原始测量值N_j进行修正，获得可移动部件位置测量修正值N_j′；位置测量修正值N_j′通过位置数据输出单元以数字形式输出；

N_j′＝N_j+ΔN_j  (1)

其中ΔN_j为栅线刻划误差数据，j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅全长范围内的数据量大小)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是实现本发明的光栅线位移测量方法中获得栅线刻划误差数据所用的装置结构示意图。

图2是激光测长干涉仪的位置测量值与光栅线位移测量装置的位置原始测量值相减的误差数据结果。

图3是图2的误差数据经拟合后的数据曲线。

图4是本发明的光栅线位移测量装置的结构示意图。

图5是本发明光栅线位移测量装置的测量结果与激光测长干涉仪测量结果比对后在全长范围内的误差曲线。

具体实施方式

如图1所示，实现本发明的光栅线位移测量方法中获得栅线刻划误差数据所用的装置包括标尺光栅1、扫描单元2、信号处理单元3、激光测长干涉仪7和计算机8。

设光栅线位移测量装置的有效行程为L＝1m，分辨率为ζ＝0.1μm，起始位置为N₀＝0μm，标尺光栅1的栅线周期为20μm。下面以此为例，对本发明的光栅线位移测量方法作出详细说明。

本发明的光栅线位移测量方法包括具体下述步骤：

1)将扫描单元2和标尺光栅1分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件(图中未示出)上，扫描单元2可相对于标尺光栅1在测量方向x上移动；

2)扫描单元2相对于标尺光栅1在测量方向x上以N₀点为起始位置，以10mm步距为测量间隔，每移动到一个测量位置，信号处理单元3提取并处理光信号接收单元2_2形成的编码信号，并基于编码信号计算出可移动部件的位置原始测量值N_i(i＝0，1，2......100)；同时，利用激光测长干涉仪7同步测量，得到可移动部件的位置精确测量值N_i′(i＝0，1，2......100)；

3)利用计算机8内的MATLAB软件，将信号处理单元3与激光测长干涉仪7在全长范围内的测量结果进行一一比对，得到测量误差数据ΔN_i＝N_i-N_i′，如图2所示，从而形成测量误差数据表；

4)利用计算机8内的MATLAB软件，基于形成的测量误差数据进行误差曲线拟合，获得误差变化轨迹，如图3所示；

5)利用计算机8内的MATLAB软件，基于误差拟合曲线，得到以标尺光栅的位置编码信号经细分后的最高分辨率0.1μm为间隔的栅线刻划误差数据ΔN_j(j＝0，1，2......m)，生成栅线刻划误差数据表，数据量扩展为10100000个，将表中数据固化于位置误差数据存储单元4；

6)实际测量可移动部件的位移时，位置误差修正单元5根据关系式(1)，利用误差数据存储单元4中的栅线刻划误差数据ΔN_j对信号处理单元3计算出的可移动部件的位置原始测量值N_j进行修正，得到可移动部件的位置测量修正值N_j′；

N_j′＝N_j+ΔN_j    (1)

。

如图4所示，本发明的光栅线位移测量装置包括：标尺光栅1、扫描单元2、信号处理单元3、位置误差数据存储单元4和位置误差修正单元5。所述扫描单元2和标尺光栅1分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件(图中未示出)上，扫描单元2可相对于标尺光栅1沿x测量方向上运动。在标尺光栅1上刻有代表位置信息的编码字，标尺光栅1是扫描单元2的位置测量基准。扫描单元2包括：发光单元2_1和光信号接收单元2_2，发光单元2_1的基本元件是发光二极管LED，光信号接收单元2_2是光敏二极管阵列，发光单元2_1产生的平行光将标尺光栅1上的编码字投影于光信号接收单元2_2，光信号接收单元2_2完成编码字的光电转换，信号处理单元3提取并处理光信号接收单元2_2形成的编码信号，基于编码信号计算出可移动部件的位置原始测量值N_j；位置误差数据存储单元4存放着栅线刻划误差数据ΔN_j(j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅全长范围内的数据量大小)；位置误差修正单元5利用与原始测量值Nj匹配的位置误差数据存储单元4中的误差数据ΔN_j，对位置原始测量值N_j进行修正，从而获得可移动部件的位置测量修正值N_j′＝N_j+ΔN_j，可移动部件的位置测量修正值由位置数据输出单元6送至后续电子设备。

所述的误差数据存储单元4可以采用EEPROM或FLASH器件，位置误差修正单元5及信号处理单元3可以采用DSP或FPGA等器件编程实现。位置数据输出单元7为一数据输出接口器件。

利用本发明的光栅线位移测量装置对被测物体的可移动部件进行测量，然后再用激光测长干涉仪进行比对测试，获得在标尺光栅全长范围内的误差曲线，如图5所示。从图5中可以看出，误差从修正前的16μm提高到修正后的6μm。

本发明不限于上述实施方式，光栅线位移测量方法步骤2)中设定的可以是等间隔也可以是不等的间隔；对可移动部件位置进行精确测量不限于采用激光测长干涉仪，还可以采用其他测量精度比现有技术的光栅线位移测量装置精度高的仪器，例如基于双光栅的光栅线位移测量装置。步骤3)、4)、5)还可以采用其它数据分析软件如VC、VB、Origin等软件实现。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光栅线位移测量方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将扫描单元(2)和标尺光栅(1)分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元(2)可相对于标尺光栅(1)在测量方向上移动；

2)扫描单元(2)相对于标尺光栅(1)在测量方向上以设定间隔移动，每移动到一个测量位置，信号处理单元(3)提取并处理扫描单元(2)的光信号接收单元(2_2)形成的编码信号，并基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值N_i，其中i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小；同时，利用激光测长干涉仪(7)同步测量，得到可移动部件位置精确测量值N_i′，其中i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小；

3)将信号处理单元(3)与激光测长干涉仪(7)在全长范围内的测量结果进行一一比对，得到测量误差数据ΔN_i＝N_i-N_i′，从而形成测量误差数据表；

4)基于形成的测量误差数据进行误差曲线拟合，获得误差变化轨迹；

5)基于误差拟合曲线，得到以标尺光栅(1)的位置编码信号经细分后的最高分辨率为间隔的栅线刻划误差数据ΔN_j其中j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅全长范围内的数据量大小，生成栅线刻划误差数据表，并将表中数据固化于位置误差数据存储单元(4)；

6)实际测量可移动部件位移时，位置误差修正单元(5)根据关系式(1)，利用误差数据存储单元(4)中的栅线刻划误差数据ΔN_j对信号处理单元(3)计算出的可移动部件位置原始测量值N_j进行修正，得到可移动部件位置测量修正值N_j′；

N_j′＝N_j+ΔN_j    (1)

。

2.一种光栅线位移测量装置，包括标尺光栅(1)、扫描单元(2)、信号处理单元(3)；扫描单元(2)和标尺光栅(1)分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元(2)可相对于标尺光栅(1)在测量方向上运动；扫描单元(2)包括发光单元(2_1)和光信号接收单元(2_2)，发光单元(2_1)产生的平行光将标尺光栅(1)上的编码字投影于光信号接收单元(2_2)，光信号接收单元(2_2)完成编码字的光电转换，信号处理单元(3)提取并处理光信号接收单元(2_2)形成的编码信号，基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值N_j；其特征在于还包括位置误差数据存储单元(4)、位置误差修正单元(5)；位置误差修正单元(5)根据关系式(1)，利用位置误差数据存储单元(4)存放的栅线刻划误差数据对可移动部件位置原始测量值N_j进行修正，获得可移动部件位置测量修正值N_j′；位置测量修正值N_j′通过位置数据输出单元(6)以数字形式输出；

N_j′＝N_j+ΔN_j  (1)

其中ΔN_j为栅线刻划误差数据，j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅(1)全长范围内的数据量大小。

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