[发明专利]基于虚拟光栅尺的主动型超精密位移定位检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种位置或方向的控制领域的方法，具体是一种基于虚拟光栅尺的主动型超精密位移定位检测方法。

背景技术

对运动部件的机械位移进行高精度检测与控制是一个十分复杂的过程，特别是随着高技术领域的不断拓展，在微细加工领域和生物操作等领域的特征尺寸越来越精细，对超精密检测与定位控制的要求越来越高，随着各种先进测控手段的不断引入，超精密定位精度正在向纳米级、亚纳米级尺度快速发展；在宏观尺度上，长行程超精密定位越来越受到重视。

超精密定位系统的定位精度受到位移检测系统测量分辨率的限制很大，位置检测系统的分辨率通常要高出机械定位系统定位精度的十倍，经对现有技术的文献检索发现，目前，在超精密定位检测控制系统中的测量方法主要有：电容传感器、法布里-珀罗干涉仪、X射线干涉仪、激光干涉仪以及各类扫描显微镜类仪器，扫描隧道显微镜STM、扫描电子显微镜SEM、扫描电容显微镜SCM、原子力显微镜AFM等，各有特点。

有很多关于光栅定位的理论和应用研究，多是采用光栅信号细分的方法，传统的条纹细分为达到超精密检测，至少需要1000细分以上，这对原始条纹信号波形的失真提出了苛刻要求，实际应用中难以实现。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103558861，公开日2014.02.05，记载了一种宏微复合运动的动态切换方法。即在宏平台接近终点进行减速的过程，即提前启动微平台，通过微平台实现精密定位，同时宏、微平台也达到稳定。该方法将根据宏、微平台的结构及动态特性，确定切换的振幅阈值，并确定相应的切换时刻，当宏平台减速过程中达到切换条件时，则进行运动的切换，启动微平台的运动，通过绝对光栅实现微平台的闭环控制，最终达到平台的定位精度要求。但该现有技术由于采用双层平台，因此在运动交接阶段双层平台的运动难以避免运动干扰和运动误差，这种误差在超精密定位中将更加明显。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于虚拟光栅尺的主动型超精密位移定位检测方法，形成具有双路输出信号的虚拟光栅尺输出脉冲，实现以虚拟光栅尺信号为反馈脉冲的闭环脉冲反馈控制以提高定位系统的检测控制精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种位移定位检测方法，首先进行宏定位，当定位位移小于条纹当量时上下移动光栅相位从而形成两路虚拟光栅尺信号，两路虚拟光栅尺信号分别对应上下两个移动方向，对两路虚拟光栅尺信号进行脉冲计数反馈控制以实现微定位。

所述位移定位检测方法具体包括以下步骤：

步骤一、将光栅干涉仪固定于单层的线性位移平台上，光栅干涉仪通过成像透镜于视场中形成干涉条纹，视场中的干涉条纹两侧分别设置两个光电传感器，通过相移装置使两个光电传感器分别于视场中向上或向下移动，使得光电传感器对干涉条纹的接收上产生相移，即使得干涉条纹产生相移；

步骤二、当线性位移平台运动时干涉条纹将在视场中移动，当干涉条纹运动至光电传感器的相移位置，光电传感器信号经整形后将发生一个检测脉冲信号，即虚拟光栅尺信号；

步骤三、光电传感器持续移动，得到一列虚拟光栅尺信号，将该列虚拟光栅尺信号作为定位反馈脉冲，实现对线性位移平台的检测控制。

所述的光电传感器向上移动或向下移动的依据为：1线性位移平台的移动方向；2线性位移平台在定位过程中是否过冲而运动方向改变，继而进行双向的闭环反馈控制。

所述的虚拟光栅尺信号的分辨率δ’为：其中，X为干涉条纹相移，L为视场中相邻干涉条纹的间距，δ为无相移的干涉条纹分辨率。

所述的宏定位是指：直接将光栅干涉仪输出的信号经整形后作为反馈检测脉冲，对线性位移平台进行脉冲检测定位控制。

所述的定位位移小于条纹当量是指：对线性位移平台的定位距离小于光栅干涉仪的分辨率。

本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：光栅干涉仪、成像透镜、两个光电传感器、相移装置、控制器和线性位移平台，其中：光栅干涉仪设置于线性位移平台上，光栅干涉仪通过成像透镜于视场中形成干涉条纹，视场中的干涉条纹两侧分别设置两个光电传感器，相移装置由控制器控制，两个光电传感器分别与相移装置相连以实现光电传感器向上或向下移动，使得光电传感器对干涉条纹的接收上产生相移，信号经整形后发生虚拟光栅尺信号作为定位反馈脉冲并传输至控制器，实现控制器对线性位移平台的检测控制。