专利名称：光栅栅距实时在线测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型专利主要涉及一种光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置。
背景技术：
光栅栅距目前的测量方法光栅位移测量是以光栅栅距为测量基准，光栅的累积刻线误差被引入到测量误差中，量程越长误差越大，因此必须要修正该误差，特别是光栅位移的大量程纳米级测量，需要在光栅传感器全程范围内对每一个点进行逐点误差补偿，所以必须测量出每个栅距值。目前的测量方法可分为直接测量法和间接测量法，直接测量法主要是借助相关的仪器直接确定光栅参数；而间接测量法是先得到相关仪器的测量量，通过对测量量进行公式计算或者数据反演再得到光栅参数。直接测量法一般包括微型探针法、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)测量法和扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscopy, SEM)测量法等。其中探针法属于接触式测量，AFM测量法分为接触模式、非接触模式、点拍模式和侧向力模式；SEM测量法属于非接触式测量。间接测量法包括激光衍射(Laser Diffraction,LD)测量法、散射测量术(Scatterometry)、分光计测量法、透射光谱测量法、衍射能量比测量法等。随着光栅制造技术的不断进步，光栅结构越来越复杂，刻线越来越密，这也对光栅参数测量精度要求越来越高。同时随着光栅精密位移测量向着大量程、纳米级的发展，对光栅栅距的测量与修正更为紧迫，但是目前的测量方法还不能实现在线实时自动测量。综上所述，目前的光栅栅距常数测量是离线的、非实时的，测量繁琐成本高，量程有限。
发明内容实用新型目的本实用新型提供一种光栅栅距实时在线快速准确的测量方法及装置，其目的是解决目前的光栅栅距测量中所存在的不能在线测量、不能实时测量、测量繁琐、成本高、量程有限、误差较大和实用性差的问题。技术方案本实用新型专利是通过以下技术方案来实现的一种光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于该装置主要包括精密工作台、电机和控制器；光栅传感器安装在精密工作台上，光栅传感器通过数据采集系统连接至控制器，控制器通过驱动器连接至电机，电机连接至精密工作台。该装置还包括显示单元和设置参数单元,显示单元和设置参数单元连接至控制器。光栅传感器包括标尺光栅和指示光栅，标尺光栅设置在精密工作台上，指示光栅设置在标尺光栅上。控制器内设置有时间T处理单元、栅距处理单元、速度处理单元、存储单元和电机控制单元；时间T处理单元和速度处理单元连接数据采集系统，时间T处理单元连接至栅距处理单元，栅距处理单元一方面连接至显示单元，另一方面连接至存储单元；速度处理单元分别连接至栅距处理单元和电机控制单元，电机控制单元一方面连接设置参数单元，另一方面连接至驱动器。优点及效果本实用新型专利提供一种光栅栅距实时在线全自动测量方法及装置，在光栅传感器运行过程中动态的测量光栅栅距常数。光栅栅距是光栅位移测量的基准，其精度直接决定位移测量的准确性，光栅传感器给出的指标中没有每个栅距的精度，在实际测量中认为其是准确的常数。当测量精度比较低和小量程时，光栅栅距的误差影响不大，可以忽略。随着光栅测量向着纳米级、大量程的发展，需要准确的修正每个栅距的误差。本实用新型提出了测量每个栅距的方法和装置，可以实现位移测量中修正每个栅距，减少累积误差。本实用新型设计了光栅全自动精密运行系统，此系统的运行速度可调，在测量光栅栅距时可以均速、慢速运行。在栅距测量过程中，带动传感器双向、满量程、往复的运动，测量栅距时对传感器输出信号处理具有无需辨向、单向处理的优势，并且光栅输出信号质量较好。通过分别测量光栅运行速度和一个栅距内时间周期再进行相乘获得栅距。本实用新型实现的是快速在线测量栅距并存储在内存中，可为光栅位移的累积误差修正特别是大量程纳米精度的实现奠定基础，还可以用在光栅质量检测和其它光栅常数的测量应用中。与现有的测量方法相比，该方法具有测量精度高、在线实时测量、测量速度快、成本低、重复性好、实用性强、全自动等特点。
图1-1为莫尔条纹图；图1-2为莫尔条纹测量原理图；图2为莫尔条纹光强的波形图；图3为本实用新型测速的原理框图；图4为整形信号图；图5为本实用新型的光栅栅距实时在线全自动测量装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型专利做进一步的描述如图1-1和1-2所示，光栅莫尔条纹信号产生及测量原理当两块光栅叠放在一起，并且之间的夹角β很小时，会形成莫尔条纹。光栅栅距与莫尔条纹具有放大的关系，一个栅距对应放大后的一个条纹周期，栅距放大了
倍。由于通过一个栅距的时间和一个莫尔条纹周期时间相等，因此位移的速度与莫
Cr
尔条纹的速度不等，也放大了尤=$倍。
O如图2所示，光栅输出电信号条纹光场的光强分布数学模型f = I0+11 ακ(2π^)光栅传感器在匀速运动时，输出的莫尔条纹信号近似为正或余弦信号。下面详细介绍一下本申请的技术方案[0029]栅距测量原理d =v T为栅距，K是速度，Γ是指光栅传感器在以速度K运行时走过一个栅距位移所需要的时间。因此分别测出速度和时间然后通过上式可得到栅距A需要说明的是由速度可控的精密工作台带动光栅传感器运动，光栅传感器的速度是已知的，之所以要再次测量光栅的运行速度，是因为速度控制精度低，这样能够保证栅距测量的高精度，同时实测的速度还可以为电机控制提供反馈。本实用新型测量速度的精度高于精密工作台控制的速度精度。㈠、如图3所示，速度的测量本实用新型是在光栅传感器运行过程中动态测量栅距。本实用新型在光栅传感器运动过程中在线实时的全自动测量光栅栅距常数，可实现反复的测量栅距，以保证精度、重复性，并且保存每个栅距的准确值，为位移测量的累积误差修正提供了准确的数据。①、速度的测量光栅传感器内置光电转换器将光信号转换成电信号，光电转换器均匀分布在一个莫尔条纹周期之内，相互位置固定不变，一般传感器内置四个光电转换器，设两个光电转换器之间的距离为7。在测量过程中，由自动精密工作台带动光栅传感器运动，在运行过程中光栅传感器输出四路莫尔条纹信号，利用高精度同步数据采集系统采集该四路信号，对任意两路信号进行相关，基于相关原理测量两路信号的时间延时即渡越时间，再通过距离与渡越时间相比即可得光栅传感器的运行速度。具体的说，精密工作台以匀慢速运行，保证光栅传感器输出较好质量的莫尔条纹，采用高分辨率高精度数据采集系统采集信号并利用相关法测量出更准确的速度。利用相关法测出信号经过不同光电转换器的渡越时间，那么已知光电转换器的固定距离和时间就能够得到运行速度。实质上就是将测距转化成了渡越时间的测量。相关法测量需要对光栅传感器输出的信号进行数据采集，渡越时间测量的分辨率和精度取决于采样的速率和精度，为实现高精度的速度测量，采用高精度高速AD构建同步数据采集系统，目前16位的AD器件速度可达250MHz，足够保证栅距测量纳米级分辨力的实现，还可以选择可以达到Gs/s采样率高速器件，能够进一步提高测量分辨力和精度。因此该实用新型能够满足不同精度位移测量的要求。相关运算需要采集一定量的数据和运算时间，由于可以控制光栅传感器慢匀速运行并且可以采用快速算法，因此数据处理速度能够满足要求。基于相关原理渡越时间Γ的计算如下式所示
ΛΡ-1
#3賴—-C-D —其中表示互相关函数，z⑷、分别表示任意两路信号 表不任一时刻#表示#为采样点数，即数据采集的长度η表示延迟量互相关函数峰值点所处位置对应着渡越时间Γ，并有Γ 二 nmax · T= UmJfs式中为采样频率，7；为采样间隔。为了避免信号本身幅值对其相关性程度量的影响，可将相关函数归一化为相关系数函数
权利要求1.一种光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于该装置主要包括精密工作台(I)、电机(2)和控制器(4);光栅传感器安装在精密工作台(I)上，光栅传感器通过数据采集系统(5)连接至控制器(4)，控制器(4)通过驱动器(3)连接至电机(2)，电机(2)连接至精密工作台(I)。
2.根据权利要求I所述的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于该装置还包括显示单元和设置参数单元，显示单元和设置参数单元连接至控制器(4)。
3.根据权利要求I或2所述的光栅栅距实时在线测量装置，其特征在于光栅传感器包括标尺光栅和指示光栅，标尺光栅设置在精密工作台上，指示光栅设置在标尺光栅上。
专利摘要本实用新型提供了一种光栅栅距实时在线测量装置，在测量过程中，高速高精度同步数据采集系统同时采集光栅输出的四路莫尔条纹信号，由任意两路信号之间的距离和渡越时间获得传感器的运行速度。栅距的周期时间测量是首先准确识别光栅输出的周期性莫尔条纹信号的两个相邻峰值点，然后测量两个峰值点之间的时间。通过时间与速度乘积获得每个栅距值。该实用新型能够测量出每个栅距的准确值，具有速度快、实时在线、准确性高、重复性好、实用性强、全自动等特点，为光栅位移精密测控中每个栅距累积误差修正提供准确依据，可应用在大量程位移精密测控、光栅传感器质量检测和其它栅距常数测量领域。
文档编号G01B11/14GK202770411SQ201220256338
公开日2013年3月6日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者常丽 申请人:沈阳工业大学