CN108709505B - 一种大量程干涉式光栅尺及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大量程干涉式光栅尺及其测距方法，包括光栅阵列和双读数头***，光栅阵列由多个光栅单元拼接而成，双读数头***包括一激光器、一分光器、两个读数头及数据处理单元；激光器用于发出一激光束，分光器用于对激光束进行分光，以得到用于投射到光栅阵列的第一激光束和第二激光束；两个读数头分别获取对应于第一激光束和第二激光束的实时位移读数；数据处理单元用于对两个读数头的实时位移读数进行数据处理，获得实际位移；其中，所述数据处理包括：根据单读数头各自的实时位移读数以及光栅单元之间的间距，进行间距补偿和读数头状态判断；基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算所述实际位移。

Description

一种大量程干涉式光栅尺及其测距方法

技术领域

本发明涉及光栅测距领域，尤其是涉及利用拼接光栅实现大量程测距的方法。

背景技术

光栅尺是一种进行精密位移测量的工具，在工程技术科学研究领域有着广泛的应用，其测量的基准为光栅的栅距，因而具有精度高、抗干扰能力强等优点。光栅尺根据测量原理分为莫尔条纹式光栅尺和干涉式光栅尺两大类，前者的成本较低，后者的精度更高。干涉式光栅尺要求光栅栅距一致性好且光栅面的平面度高，这使得大量程的干涉式光栅尺加工难度大、成本高昂。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为了解决目前大量程的干涉式光栅尺加工难度大、成本高昂的问题，本发明提出了一种基于拼接光栅的双读数头大量程干涉式光栅尺，并同时提出采用该大量程干涉式光栅尺进行测距的方法，实现大量程的增量位移测量，达到了以低成本的拼接光栅实现高精度、大量程位移测量的目的。

本发明为达上述目的所提出的其中一种技术方案如下：

一种大量程干涉式光栅尺，包括光栅阵列和双读数头***，所述光栅阵列由多个光栅单元拼接而成，所述双读数头***包括一激光器、一分光器、两个读数头以及数据处理单元；所述激光器用于发出一激光束，所述分光器用于对所述激光束进行分光，以得到用于投射到所述光栅阵列的第一激光束和第二激光束；所述两个读数头分别获取对应于所述第一激光束和所述第二激光束的实时位移读数；所述数据处理单元用于对所述两个读数头的实时位移读数进行数据处理，获得实际位移；其中，所述数据处理包括：

根据单读数头各自的实时位移读数以及光栅单元之间的间距，进行间距补偿和读数头状态判断；基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算所述实际位移。

本发明的另一实施方式还提出了前述大量程干涉式光栅尺的测距方法，包括如下步骤：

初始化时，将对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束投射到同一光栅单元上，投射点分别记为P_A、P_B；其中，投射点P_A位于P_B左侧；

让读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动，并保持相对于移动方向很定，在移动过程中根据读数头A和B的实时位移读数X_A、X_B判断读数头状态；

移动过程中记录读数头A和B的位移读数差值，并进行间距补偿；

基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算实际位移X。

优选地，根据读数头A和B的实时位移读数X_A、X_B判断读数头状态，具体包括：

获取读数头A和读数头B的实时位移读数X_A、X_B，并计算位移读数差值(X_A-X_B)；

分别求解X_A、X_B和(X_A-X_B)的导数X_A'、X_B'、(X_A-X_B)'；

当读数头和光栅阵列相对运动时，根据X_A'、X_B'和(X_A-X_B)'来判断读数头状态：首先，定义初始状态，初始状态下分别对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束的投射点P_A、P_B位于同一光栅单元上，当投射点P_A位于P_B左侧且读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动时，读数头A和B将依次经历下述四个状态：

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且投射点P_A和P_B位于同一光栅单元上时，记为状态S1；

当X_A'≠0且X_B'＝0且(X_A-X_B)'＝0时，投射点P_B位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头B读数中断，读数头A正常读数，记为状态S2；

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且两个投射点P_A和P_B位于相邻的两个光栅单元上时，记为状态S3；

当X_A'＝0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'≠0时，投射点P_A位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头A读数中断，读数头B正常读数，记为状态S4；

其中，当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0时，通过统计两个投射点经过间隔区域的次数和方向，判断两个读数头处于状态S1或状态S3，在状态S1和S3下，两个读数头均正常读数。

优选地，进行所述间距补偿的算法过程包括：

在光栅阵列与双读数头以恒定不变的相对运动方向进行相对移动的过程中，当(X_A-X_B)'＝0即每逢状态S1或状态S3时，依次记录双读数头的差值X_A-X_B＝δ_i，i＝1,2,3,….,2N-2，N为构成所述光栅阵列的光栅单元的数量；在状态S1下，记δ_i＝δ_2k-1，k＝1,2,3,….,N-1，k表示读数头B已经经过了k个所述间隔区域；在状态S3下，记δ_i＝δ_2k。

优选地，实际位移X的计算公式如下：

其中，S＝S1,S2表示读数头状态S为状态S1或状态S2；S＝S3,S4表示读数头状态S为状态S3或状态S4。

本发明上述提出的大量程干涉式光栅尺及其测距方法，可以使用低成本的拼接光栅实现高精度大量程的位移测量。

附图说明

图1是本发明具体实施例的大量程干涉式光栅尺的分光器示意图；

图2是本发明的大量程干涉式光栅尺的双读数头***示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供一种大量程干涉式光栅尺，包括光栅阵列和双读数头***，所述光栅阵列由多个光栅单元拼接而成，所述双读数头***包括一激光器、一分光器、两个读数头以及数据处理单元；参考图1和图2，所述激光器用于发出一激光束L₀，分光器BS用于对所述激光束L₀进行分光，以得到用于投射到所述光栅阵列的第一激光束L_A和第二激光束L_B；两个读数头分别获取对应于所述第一激光束和所述第二激光束的实时位移读数；所述数据处理单元用于对所述两个读数头读取的实时位移读数进行数据处理，获得实际位移；其中，所述数据处理单元进行以下数据处理：

根据单读数头各自的实时位移读数以及光栅单元之间的间距，进行间距补偿和读数头状态判断；基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算所述实际位移。

在一具体的实施例中，分光器如图1所示，一束激光L₀从分光镜BS的一个工作面入射，之后被分为两束平行激光L_A和L_B射出。优选地，分光器等光强地分出激光束L_A和L_B，光束直径优选地为d＝2mm。

继续参考图1，分光器为一分光棱镜，入射光线方向与分光面平行，且与顶面平行，入射在任意侧面上，入射点使得入射光的第一次折射光能够在穿过其他光学平面之前穿过分光面。

参考图2，在一具体的实施例中，所述双读数头***的两个读数头的原理完全相同、且关于双面反射镜M对称，为便于区分将这两个读数头记为A和B。在读数头A，激光束L_A照射在透射光栅G上之后，产生两束衍射光A1和A2，这两束衍射光分别经过反射镜11、M进行反射后在分束镜21处合光，其中一部分合光在探测器PA2处产生干涉信号，另一部分合光通过四分之一波片31进行相位延迟，在探测器PA1处产生有90°相位延迟的干涉信号，通过这两个干涉信号即可解算出读数头A的位移X_A。同理，在读数头B，激光束L_B照射在透射光栅G上之后，产生两束衍射光B1和B2，这两束衍射光分别经过反射镜12、M进行反射后在分束镜22处合光，其中一部分合光在探测器PB2处产生干涉信号，另一部分合光通过四分之一波片32进行相位延迟，在探测器PB1处产生有90°相位延迟的干涉信号，通过这两个干涉信号即可解算出读数头B的位移X_B。

为了扩大量程本发明采用了多个光栅单元拼接的光栅阵列，由于拼接处难免会有缝隙，如果只采用一个读数头读取位移，肯定会存在误差，本发明通过如图2所示的双读数头***，基于上述的原理获取两个读数头的实时位移读数X_A和X_B，再采用本发明的数据处理程序进行以下处理即可获得实际的位移值，数据处理如下：

1)首先进行读数头状态判断：

计算读数差值(X_A-X_B)，分别求解X_A、X_B和(X_A-X_B)的导数X_A'、X_B'、(X_A-X_B)'；当读数头和光栅阵列相对运动时，根据X_A'、X_B'和(X_A-X_B)'来判断读数头状态：首先，定义初始状态，初始状态下分别对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束的投射点P_A、P_B位于同一光栅单元上，当投射点P_A位于P_B左侧且读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动时，读数头A和B将依次经历下述四个状态：

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且投射点PA和P_B位于同一光栅单元上时，记为状态S1；

当X_A'≠0且X_B'＝0且(X_A-X_B)'＝0时，投射点P_B位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头B读数中断，读数头A正常读数，记为状态S2；

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且两个投射点P_A和PB位于相邻的两个光栅单元上时，记为状态S3；

当X_A'＝0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'≠0时，投射点PA位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头A读数中断，读数头B正常读数，记为状态S4；

其中，当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0时，通过统计两个投射点经过间隔区域的次数和方向，判断两个读数头处于状态S1或状态S3，在状态S1和S3下，两个读数头均正常读数。

2)其次进行间距补偿：

在光栅阵列与双读数头以恒定不变的相对运动方向进行相对移动的过程中，当(X_A-X_B)'＝0即每逢状态S1或状态S3时，依次记录双读数头的位移差值X_A-X_B＝δ_i，i＝1,2,3,….,2N-2，N为构成所述光栅阵列的光栅单元的数量；在状态S1下，记δ_i＝δ_2k-1，k＝1,2,3,….,N-1，k表示读数头B已经经过了k个所述间隔区域；在状态S3下，记δ_i＝δ_2k

3)计算实际位移X：

其中，S＝S1,S2表示读数头状态S为状态S1或状态S2；S＝S3,S4表示读数头状态S为状态S3或状态S4。

本发明一优选实施例的大量程干涉式光栅尺的光栅阵列的相邻光栅单元之间的间距为0.1～1mm，每个光栅单元的长度为5～10mm，所述多个光栅单元沿长度方向依次平行排列并拼接成所述光栅阵列，其中，光栅的栅线与排列方向垂直。其中，所述多个光栅的拼接采用光刻拼接或机械拼接。

所述光刻拼接包括：将光刻胶均匀涂敷在光栅阵列基底上，按照预设的拼接要求通过多次干涉光刻曝光将光栅单元的光刻潜像镶嵌在所述光栅阵列基底的光刻胶上。

所述机械拼接包括：先在相互独立的光栅基底上制造出光栅单元，再按照预设的拼接要求将光栅单元固定到整块的光栅阵列基底上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大量程干涉式光栅尺，其特征在于：包括光栅阵列和双读数头***，所述光栅阵列由多个光栅单元拼接而成，所述双读数头***包括一激光器、一分光器、两个读数头以及数据处理单元；

所述激光器用于发出一激光束，所述分光器用于对所述激光束进行分光，以得到用于投射到所述光栅阵列的第一激光束和第二激光束；

所述两个读数头分别获取对应于所述第一激光束和所述第二激光束的实时位移读数；

所述数据处理单元用于对所述两个读数头的实时位移读数进行数据处理，获得实际位移；

其中，所述数据处理包括：

根据读数头A的实时位移读数、读数头B的实时位移读数以及光栅单元之间的间距，进行间距补偿和读数头状态判断；

基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算所述实际位移；

读数头状态判断具体包括：

获取读数头A和读数头B的实时位移读数X_A、X_B，并计算读数差值(X_A-X_B)；

分别求解X_A、X_B和(X_A-X_B)的导数X_A'、X_B'、(X_A-X_B)'；

当读数头和光栅阵列相对运动时，根据X_A'、X_B'和(X_A-X_B)'来判断读数头状态：首先，定义初始状态，初始状态下分别对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束的投射点P_A、P_B位于同一光栅单元上，当投射点P_A位于P_B左侧且读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动时，读数头A和B将依次经历下述四个状态：

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且投射点P_A和P_B位于同一光栅单元上时，记为状态S1；

当X_A'≠0且X_B'＝0且(X_A-X_B)'＝0时，投射点P_B位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头B读数中断，读数头A正常读数，记为状态S2；

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且两个投射点P_A和P_B位于相邻的两个光栅单元上时，记为状态S3；

当X_A'＝0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'≠0时，投射点P_A位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头A读数中断，读数头B正常读数，记为状态S4；

其中，当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0时，通过统计两个投射点经过间隔区域的次数和方向，判断两个读数头处于状态S1或状态S3，在状态S1和S3下，两个读数头均正常读数；

间距补偿具体包括：

在光栅阵列与双读数头以恒定不变的相对运动方向进行相对移动的过程中，当(X_A-X_B)'＝0即每逢状态S1或状态S3时，依次记录双读数头的位移差值X_A-X_B＝δ_i，i＝1,2,3,…,2N-2，N为构成所述光栅阵列的光栅单元的数量；

在状态S1下，记δ_i＝δ_2k-1，k＝1,2,3,…,N-1，k表示读数头B已经经过了k个所述间隔区域；在状态S3下，记δ_i＝δ_2k；

计算实际位移X：

其中，S＝S1,S2表示读数头状态S为状态S1或状态S2；S＝S3,S4表示读数头状态S为状态S3或状态S4。

2.如权利要求1所述的大量程干涉式光栅尺，其特征在于：所述光栅阵列的相邻光栅单元之间的间距为0.1～1mm，每个光栅单元的长度为5～10mm，所述多个光栅单元沿长度方向依次平行排列并拼接成所述光栅阵列，其中，光栅的栅线与排列方向垂直。

3.如权利要求2所述的大量程干涉式光栅尺，其特征在于：所述多个光栅的拼接采用光刻拼接或机械拼接。

4.如权利要求3所述的大量程干涉式光栅尺，其特征在于：所述光刻拼接包括：将光刻胶均匀涂敷在光栅阵列基底上，按照预设的拼接要求通过多次干涉光刻曝光将光栅单元的光刻潜像镶嵌在所述光栅阵列基底的光刻胶上。

5.如权利要求3所述的大量程干涉式光栅尺，其特征在于：所述机械拼接包括：先在相互独立的光栅基底上制造出光栅单元，再按照预设的拼接要求将光栅单元固定到整块的光栅阵列基底上。

6.如权利要求1所述的大量程干涉式光栅尺的测距方法，包括如下步骤：

初始化时，将对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束投射到同一光栅单元上，投射点分别记为P_A、P_B；其中，投射点P_A位于P_B左侧；

让读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动，并保持相对于移动方向很定，在移动过程中根据读数头A和B的实时位移读数X_A、X_B判断读数头状态；

移动过程中记录读数头A和B的位移读数差值，并进行间距补偿；

基于读数头所处的状态，利用单读数头的实时位移读数和间距补偿结果计算实际位移X；

根据读数头A和B的实时位移读数X_A、X_B判断读数头状态，具体包括：

获取读数头A和读数头B的实时位移读数X_A、X_B，并计算位移读数差值(X_A-X_B)；

分别求解X_A、X_B和(X_A-X_B)的导数X_A'、X_B'、(X_A-X_B)'；

当读数头和光栅阵列相对运动时，根据X_A'、X_B'和(X_A-X_B)'来判断读数头状态：首先，定义初始状态，初始状态下分别对应于读数头A和读数头B的第一激光束和第二激光束的投射点P_A、P_B位于同一光栅单元上，当投射点P_A位于P_B左侧且读数头A和B同时相对于光栅阵列向右移动时，读数头A和B将依次经历下述四个状态：

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且投射点P_A和P_B位于同一光栅单元上时，记为状态S1；

当X_A'≠0且X_B'＝0且(X_A-X_B)'＝0时，投射点P_B位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头B读数中断，读数头A正常读数，记为状态S2；

当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0，且两个投射点P_A和P_B位于相邻的两个光栅单元上时，记为状态S3；

当X_A'＝0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'≠0时，投射点P_A位于相邻光栅单元之间的间隔区域内，此时读数头A读数中断，读数头B正常读数，记为状态S4；

其中，当X_A'≠0且X_B'≠0且(X_A-X_B)'＝0时，通过统计两个投射点经过间隔区域的次数和方向，判断两个读数头处于状态S1或状态S3，在状态S1和S3下，两个读数头均正常读数；

进行所述间距补偿的算法过程包括：

在光栅阵列与双读数头以恒定不变的相对运动方向进行相对移动的过程中，当(X_A-X_B)'＝0即每逢状态S1或状态S3时，依次记录双读数头的差值X_A-X_B＝δ_i，i＝1,2,3,…,2N-2，N为构成所述光栅阵列的光栅单元的数量；

在状态S1下，记δ_i＝δ_2k-1，k＝1,2,3,…,N-1，k表示读数头B已经经过了k个所述间隔区域；在状态S3下，记δ_i＝δ_2k；

实际位移X的计算公式如下：

其中，S＝S1,S2表示读数头状态S为状态S1或状态S2；S＝S3,S4表示读数头状态S为状态S3或状态S4。

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