一种位移测量校正装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种位移测量校正装置和方法，属于测量技术领域。本发明通过光栅位移传感器进行位移测量，并通过电控单元将第一位移信息传送给校正单元，校正单元根据所述第一位移信息获得误差补偿信息，并将误差补偿信息传送给数据处理单元处理，进而实现对于第二位移信息的智能校正，进而达到了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
【专利说明】
_种位移测量校正装置和方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种位移测量校正装置和方法。
【背景技术】
[0002]随着技术的发展，许多工业领域对精密测量与加工装备的要求越来越高，纳米级的高分辨率、高精度位移测量技术已经成为现代工业技术继续向前迈进的先导和基础。
[0003]在上述高分辨率和高精度位移测量技术中位移传感器使用的越来越多。对于位移传感器的使用，理论上，只要后续电路的细分倍数越多就可以获得更高的分辨率。但在实际应用中细分倍数的增加在提高分辨率的同时也会增大误差。具体而言，以光栅位移传感器为例，传感器输出三路理论上相位差为120度的正弦信号，但实际上无法保证三路信号的相位差严格为120度，也无法保证信号幅值相等。这样当细分倍数增大时，其相对误差也会增大，难以进一步实现传感器精度的提高。
[0004]进一步的，为了同时实现高分辨率和高精度的位移测量，位移传感器在生产和使用过程中必须以更高精度的测量设备作为参照进行严格的装调和校正，这使得高分辨率、高精度的位移传感器制造和使用成本非常高，限制了高精度位移传感器的应用推广范围。
【发明内容】
[0005]本发明实施例通过提供一种位移测量校正装置和方法，解决了现有技术中位移传感器在满足高分辨率、高精度位移测量要求时，需要更高的位移传感器制造和安装精度标准的问题，有效的降低了位移传感器的制造和使用成本。
[0006]本发明实施例提供了一种位移测量校正装置，其特征在于，所述装置包括:光栅位移传感器，所述光栅位移传感器用于进行位移测量;电控单元，所述电控单元用于获得所述光栅位移传感器所测量的第一位移信息;校正单元，所述校正单元用于获得所述第一位移信息，并根据所述第一位移信息获得误差补偿信息;数据处理单元，所述数据处理单元用于获得来自光栅位移传感器的第二位移信息和所述误差补偿信息，并根据所述第二位移信息和所述误差补偿信息实现位移测量的校正。
[0007]进一步的，所述光栅位移传感器还包括:标尺光栅;传感器读数头，所述传感器读数头用于获得与所述标尺光栅之间相对运动的位移测量信息。
[0008]进一步的，所述装置还包括:所述校正单元用于获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息;所述数据处理单元获得所述系统运动轨迹误差补偿信息并对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。
[0009]进一步的，所述装置还包括:所述校正单元用于获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率;并根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线;所述数据处理单元获得所述周期性误差校正曲线，并根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。
[0010]进一步的，所述装置还包括:所述电控单元获得所述位移传感器的位移偏差数据；所述校正单元根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据;所述数据处理单元根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。
[0011]本发明实施例进一步提供了一种位移校正方法，所述方法包括:获得光栅位移传感器的第一位移信息;根据所述第一位移信息获得误差补偿信息;根据所述误差补偿信息和第二位移信息实现位移测量的校正。
[0012]进一步的，所述方法具体为:获得传感器读数头对标尺光栅的多次全量程测量信息;根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息；根据所述系统运动轨迹误差补偿信息对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。
[0013]进一步的，所述方法具体为:获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息，根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率;根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线;根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。
[0014]进一步的，所述方法具体为:获得所述位移传感器的位移偏差数据;根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据;根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。
[0015]进一步的，所述位移偏差数据为所述传感器因温度或者应力变化或者标尺变形而导致的位移偏差数据。
[0016]本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0017]1.本发明通过光栅位移传感器进行位移测量，并通过电控单元将第一位移信息传送给校正单元，校正单元根据所述第一位移信息获得误差补偿信息，并经过数据处理单元处理后获得位移校正信息，进而实现对于第二位移信息的智能校正，进而达到了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0018]2.本发明实施例通过对多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息，并进而实现系统运动轨迹误差的校正，解决了测量系统运动轨迹误差的问题，减少了系统运动轨迹误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0019]3.本发明实施例通过对多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率，并根据所述周期性误差频率和所述多次全程量测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线，并根据所述周期性误差校正曲线实现系统周期性误差的校正，解决了测量系统周期性误差的问题，减少了测量系统周期性误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0020]4.本发明实施例通过获得位移传感器的位移偏差数据，并根据位移偏差数据获得漂移误差校正数据，进而实现系统漂移误差的校正，解决了测量系统漂移误差的问题，减少了测量系统漂移误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0021]5.本发明实施例提供的位移测量校正装置和方法降低了传感器的安装要求，节省了成本，并可适用于多种位移测量设备，应用范围广泛。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明实施例中一种位移测量校正装置的结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例中一种位移测量校正方法的流程示意图；
[0025]图3为本发明实施例中又一种位移测量校正方法的流程示意图；
[0026]图4为光栅位移传感器未进行任何校正的原始精度测试结果的示意图；
[0027]图5为使用系统运动轨迹误差校正后的光栅位移传感器精度测试结果的示意图；
[0028]图6为本发明实施例中再一种位移测量校正方法的流程示意图；
[0029]图7为基于原始数据中的周期性误差频率和原始精度数据拟合出的周期性误差校正曲线的不意图；
[0030]图8为使用周期性误差校正曲线对系统进行周期性误差校正后得到的精度测试结果的不意图；
[0031]图9为本发明实施例中还一种位移测量校正方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
[0033]【实施例一】
[0034]如图1所述，本发明实施例提供了一种位移测量校正装置，该装置用于实现位移测量的智能校正，提高位移测量的精度。其中，所述装置包括:
[0035]光栅位移传感器I，所述光栅位移传感器I用于进行位移测量；
[0036]具体来说，所述光栅位移传感器I还包括:标尺光栅11和传感器读数头12，所述传感器读数头12用于获得与所述标尺光栅11之间相对运动的位移测量信息。
[0037]电控单元2，所述电控单元2用于获得所述光栅位移传感器I所测量的第一位移信息;
[0038]具体来说，电控单元2—方面用于获得来自光栅位移传感器I所测量的第一位移信息，另一方面，电控单元2还用于对所述光栅位移传感器I进行控制，实现光栅位移传感器I的动作。
[0039]校正单元3，所述校正单元3用于获得所述第一位移信息，并根据所述第一位移信息获得误差补偿ig息；
[0040]具体来说，校正单元3基于第一位移信息进行计算并确定测量过程中误差补偿信息。同时校正单元3还拥有记忆存储和自学习功能，可以基于多次的误差补偿信息进行自我计算，实现校正单元3的智能、自动的误差补偿信息计算，进而实现自动、智能的对后续测量过程进行校正和诊断。
[0041]进一步的，为了实现校正单元3的智能、自动化，可以采用逻辑运算的方式予以确定。对于本领域技术人员采用何种逻辑运算属于常用技术手段，本发明实施例不做具体阐述。
[0042]比如，校正单元3随着校正次数的增多，可以基于多组数据信息进行逻辑运算得出最优的校正数据的方式予以处理。同时，并随着时间和数据的积累，校正数据又得到再次优化。
[0043]数据处理单元4，所述数据处理单元4用于获得所述第二位移信息和所述误差补偿信息，并根据所述第二位移信息和所述误差补偿信息实现对所述第二位移信息的校正。
[0044]具体来说，数据处理单元4通过上述第二位移信息和误差补偿信息来获得位移校正信息，并将位移校正信息输出后，实现对于本装置的位移校正，实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器I制造和使用成本的技术效果。
[0045]进一步的，数据处理单元4又可以将所述位移校正信息发送给校正单元3，校正单兀3获得所述位移校正彳目息后，进一步获得第二位移彳目息，并根据第二位移彳目息和所述位移校正信息获得第二位移校正信息，这样可以实现校正数据的二次优化，达到智能调整的目的。
[0046]进一步的，本装置还可以包括存储单元(图中未示出)，存储单元可以和数据处理单元4或者校正单元3连接，用于存储数据处理单元4或者校正单元3产生的数据。
[0047]进一步的，本装置还可以包括比较单元(图中未示出)，比较单元与所述校正单元3连接，所述比较单元中存储有阈值数据，当校正单元3中获得所述位移偏差数据偏离阈值数据较多时，启动报警，以提醒使用者注意传感器工作状态是否正常。
[0048]进一步的，本装置还可以包括位移传感器型号检测单元(图中未示出)，该检测单元可以和数据处理单元4连接，用于检测位移传感器的型号，并把相关型号发送给数据处理单元4，数据处理单元4进而可以根据型号信息判断数据的准确性或者对校正信息进行进一步的校正。
[0049]【实施例二】
[0050]如图2所示，本发明实施例还提供了一种位移测量校正方法，所述方法包括:
[0051 ]步骤110:获得光栅位移传感器的第一位移信息；
[0052]步骤120:根据所述第一位移信息获得误差补偿信息；
[0053]步骤130:根据所述误差补偿信息和第二位移信息实现位移测量的校正。
[0054]需要特别说明的是，本方案的核心是根据第一位移信息获得误差补偿信息，然后利用误差补偿信息来对第二位移信息进行补偿后完成位移测量的校正，实现本发明实施例目的。其中，第一位移信息可以认为是基础数据，并根据基础数据确定修正参数，然后在随后的具体的测量过程中，通过修正参数对第二位移信息，即当期的测量数据进行修正，实现本发明实施例之目的。
[0055]上述校正方法和校正装置是对应关系的实施例，且校正装置的实施例已经进行了展开，此处不做过多阐述。
[0056]【实施例三】
[0057]对于本发明实施例提供的一种位移测量校正装置和方法在具体的使用场景中主要存在如下三种误差来源:
[0058]1.测量系统运动轨迹误差；
[0059]2.测量系统周期性误差；
[0060]3.测量系统漂移误差。
[0061]为了更好的实现保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果，本发明实施例还提供上述三种误差的技术方案，具体内容如下:
[0062I 一、测量系统运动轨迹误差的校正
[0063]测量系统运动轨迹误差的校正是对由于标尺光栅相对于光栅位移传感器读数头的系统性安装误差、形变误差等进行的校正。
[0064]为了解决系统运动轨迹误差，本发明实施例提供的一种位移测量校正装置，其中，所述装置还包括:
[0065]所述校正单元3用于获得所述传感器读数头12对所述标尺光栅11的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息；
[0066]所述数据处理单元4获得所述系统运动轨迹误差补偿信息并对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。
[0067]需要说明的是，平均拟合的方法是本领域技术人员的惯用技术手段，本领域技术人员能够通过本申请的描述知悉如何通过平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息。
[0068]如图3所示，为了校正系统运动轨迹误差，本发明实施例提供的一种位移测量校正方法，该方法包括:
[0069]步骤210:获得传感器读数头12对标尺光栅11的多次全量程测量信息；
[0070]步骤220:根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息；
[0071]步骤230:根据所述系统运动轨迹误差补偿信息对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。
[0072]具体来说，在后续的测量中，采用上述校正信息对原始测量数据进行补偿，实现系统运动轨迹误差的校正。
[0073]从技术效果上来看，如图4和图5所示。其中，图4是光栅位移传感器未进行任何校正的原始精度测试结果；图5是使用系统运动轨迹误差校正后的光栅位移传感器精度测试结果。通过上述图4和图5的对比可以看出经过系统运动轨迹误差校正后精度测量效果得到了很大的改善。
[0074]二、测量系统周期性误差校正
[0075]测量系统周期性误差校正是对由于光栅位移传感器I内部的光学元件对位误差、结构参数变化等原因产生的位移测量周期性误差进行的校正。
[0076]为了解决测量系统周期性误差，本发明实施例提供的一种位移测量校正装置，其中，所述装置还包括:
[0077]所述校正单元3用于获得所述传感器读数头12对所述标尺光栅11的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率;并根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线；
[0078]所述数据处理单元4获得所述周期性误差校正曲线，并根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。
[0079]需要说明的是，频谱分析的方法是本领域技术人员的惯用技术手段，本领域技术人员能够通过本申请的描述知悉如何通过频谱分析的方法获得周期性误差校正曲线。
[0080]如图6所示，为了校正系统周期性误差，本发明实施例提供了一种位移测量校正方法，该方法包括:
[0081]步骤310:获得所述传感器读数头12对所述标尺光栅11的多次全量程测量信息；
[0082]步骤320:根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率；
[0083]步骤330:根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的原始精度数据拟合获得周期性误差校正曲线；
[0084]步骤340:将所述周期性误差校正曲线输入数据处理单元4之后，数据处理单元4根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。
[0085]进一步的，在后续测量过程中，对原始数据进行噪声处理后，采用与所述周期性误差校正信息差值的方法实现系统周期性误差校正。
[0086]如图7所示，图7为校正单元基于原始数据中的周期性误差频率和原始精度数据拟合出的周期性误差校正曲线。如图8所示，图8为使用周期性校正曲线对系统进行周期性误差校正后得到的精度测试结果。通过图4和图8的对比可以看出，经过系统周期性误差校正后精度测试结果有了很大的改善。
[0087]三、测量系统漂移误差的校正
[0088]测量系统漂移误差的校正是对光栅位移传感器I因温度、应力变化、标尺变形等原因导致的位移偏差进行的校正。
[0089]为了解决测量系统漂移误差，本发明实施例提供了一种位移测量校正装置，其中，所述装置还包括:
[0090]所述电控单元2获得所述位移传感器I的位移偏差数据；
[0091 ]所述校正单元3根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据；
[0092]所述数据处理单元4根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。
[0093]如图9所示，为了校正系统漂移误差，本发明实施例还提供了一种位移测量校正方法，该方法包括:
[0094]步骤410:通过所述电控单元2获得所述位移传感器I的位移偏差数据；
[0095]步骤420:所述校正单元3根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据；
[0096]步骤430:所述数据处理单元4根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。
[0097]由于光栅位移传感器I在使用过程中因温度、应力变化、标尺变形等原因产生位移偏差，所以在所述光栅位移传感器I安装完成后，就可以启动相应的测量系统漂移误差校正，并积累记录所述位移偏差数据，并为后续的校正提供基础数据。当然，上述测量系统的漂移误差校正可以根据实际需要在不同的时间点予以启动，本文不做具体的限定。
[0098]本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0099]1.本发明通过光栅位移传感器进行位移测量，并通过电控单元将第一位移信息传送给校正单元，校正单元根据所述第一位移信息获得误差补偿信息，并经过数据处理单元处理后获得位移校正信息，进而实现对于第二位移信息的智能校正，进而达到了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0100]2.本发明实施例通过对多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息，并进而实现系统运动轨迹误差的校正，解决了测量系统运动轨迹误差的问题，减少了系统运动轨迹误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0101]3.本发明实施例通过对多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率，并根据所述周期性误差频率和所述多次全程量测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线，并根据所述周期性误差校正曲线实现系统周期性误差的校正，解决了测量系统周期性误差的问题，减少了测量系统周期性误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0102]4.本发明实施例通过获得位移传感器的位移偏差数据，并根据位移偏差数据获得漂移误差校正数据，进而实现系统漂移误差的校正，解决了测量系统漂移误差的问题，减少了测量系统漂移误差对测量装置的影响，进一步实现了保证高精度、高分辨率的同时有效降低光栅位移传感器制造和使用成本的技术效果。
[0103]5.本发明实施例提供的位移测量校正装置和方法降低了传感器的安装要求，节省了成本，并可适用于多种位移测量设备，应用范围广泛。
[0104]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0105]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种位移测量校正装置，其特征在于，所述装置包括: 光栅位移传感器，所述光栅位移传感器用于进行位移测量； 电控单元，所述电控单元用于获得所述光栅位移传感器所测量的第一位移信息； 校正单元，所述校正单元用于获得所述第一位移信息，并根据所述第一位移信息获得误差补偿ig息； 数据处理单元，所述数据处理单元用于获得来自光栅位移传感器的第二位移信息和所述误差补偿信息，并根据所述第二位移信息和所述误差补偿信息实现对所述第二位移信息的校正。2.如权利要求1所述的位移测量校正装置，其特征在于，所述光栅位移传感器还包括: 标尺光栅； 传感器读数头，所述传感器读数头用于获得与所述标尺光栅之间相对运动的位移测量?目息O3.如权利要求2所述的位移测量校正装置，其特征在于，所述装置还包括: 所述校正单元用于获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息；所述数据处理单元获得所述系统运动轨迹误差补偿信息并对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。4.如权利要求2所述的位移测量校正装置，其特征在于，所述装置还包括: 所述校正单元用于获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息，并根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率;并根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线； 所述数据处理单元获得所述周期性误差校正曲线，并根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。5.如权利要求2所述的位移测量校正装置，其特征在于，所述装置还包括: 所述电控单元获得所述位移传感器的位移偏差数据； 所述校正单元根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据； 所述数据处理单元根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。6.一种位移测量校正方法，其特征在于，所述方法包括: 获得光栅位移传感器的第一位移信息； 根据所述第一位移信息获得误差补偿信息； 根据所述误差补偿信息和第二位移信息实现位移测量的校正。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法具体为: 获得传感器读数头对标尺光栅的多次全量程测量信息； 根据所述多次全量程测量信息采用平均拟合的方法获得系统运动轨迹误差补偿信息；根据所述系统运动轨迹误差补偿信息对第二位移信息进行差值校正，实现系统运动轨迹误差的校正。8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法具体为: 获得所述传感器读数头对所述标尺光栅的多次全量程测量信息， 根据所述多次全量程测量信息采用频谱分析的方法获得周期性误差频率； 根据所述周期性误差频率和所述多次全量程测量信息的精度信息拟合获得周期性误差校正曲线； 根据所述周期性误差校正曲线和第二位移信息实现系统周期性误差的校正。9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法具体为: 获得所述位移传感器的位移偏差数据； 根据所述位移偏差数据获得漂移误差校正数据； 根据所述漂移误差校正数据对第二位移信息进行修正实现系统漂移误差的校正。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述位移偏差数据为所述传感器因温度或者应力变化或者标尺变形而导致的位移偏差数据。
【文档编号】G01B11/02GK105865348SQ201610317866
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】高金磊, 宗明成
【申请人】中国科学院微电子研究所