[发明专利]差频主动扫描式光栅位移传感器及测量方法

说明书

本发明公开了一种差频主动扫描式光栅位移传感器及测量方法，实现了以栅距差为基准的光栅测量，解决了宏微跨尺度测量中的高精度测量难题。本发明的具体实现方法为：将被测位移L分为L_n和Δl两部分，L_n的大小为n/4(n＝0,1,2,3…)倍的主光栅栅距P₁，由光栅测量方法获取；Δl是被测位移L中不足P₁/4的部分，首先记录Ln处主光栅读数单元和测量光栅读数单元信号的相位差其次记录最终位置L处，两读数单元的信号相位差最后通过微动元件使两个读数单元发生二次移动ΔL，使得信号的相位差由恢复到可得Δl＝(P₁‑P₂)·ΔL/P₂；最终可得被测位移值L＝L_n+Δl。本发明利用栅距差(P₁‑P₂)作为测量基准，通过微动元件在P₁/4的量程内获得了更高测量分辨率(大于微动元件分辨率)。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及一种差频主动扫描式光栅位移传感器及测量方法。该传感器及测量方法主要用于线位移和角位移的测量。

背景技术

高精度光栅测量系统是一种精度仅次于激光干涉仪的大量程纳米测量装置，在装备制造业中具有非常重要的地位。其以光栅的栅距为测量基准，具有良好的环境适应性、紧凑的系统结构和较低的价格成本等优势。

目前高精度光栅测量系统分辨率主要取决于光栅栅线的刻划技术能力和光栅莫尔条纹的细分倍数。目前商业化最小栅距的光栅是德国海德汉公司的LIP382光栅位移传感器，其栅距为512nm。在电子细分技术领域，英国Renishaw公司的ATOM系列光栅位移传感器产品使用栅距20μm的光栅，配合20000倍的电子细分技术实现了1nm测量分辨率。但在如此高的细分倍数下，对原始条纹信号的波形及正交性提出了近乎苛刻的要求，给安装调试带来了很大的难度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种差频主动扫描式光栅位移传感器及测量方法，通过利用两个不同栅距的光栅尺(分为主光栅尺和测量光栅尺)，以栅距差(P₁-P₂)作为测量基准，通过较低分辨率的微动元件在P₁/4的量程内获得了更高测量分辨率(大于微动元件分辨率)，同时利用组合测量(L_n+Δl)的方式最终得到大尺度及高精度的测量结果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种差频主动扫描式位移测量方法，在非运动件1上放置栅距为P₁的主光栅尺2，在运动件4上放置栅距为P₂的测量光栅尺5，且P₁≠P₂，将被测位移L分为L_n和Δl两个部分，即被测位移L＝L_n+Δl，Ln的大小为主光栅尺2栅距P1的n/4倍，即n为光栅测量方法中读数单元输出信号在4细分倍数下的脉冲个数，n＝0,1,2,3…；Δl为被测位移L中剩余的不足P₁/4的部分，具体包括如下步骤：

a、将运动件4复位到测量初始位置，微动元件8带动主光栅读数单元3和测量光栅读数单元6复位到初始位置，运动件4相对于非运动件1向某一方向运动产生被测位移L；

b、采用光栅读数单元的信号计量方法获取距离L_n；

c、对于距离Δl，首先记录L_n处主光栅读数单元3和测量光栅读数单元6信号的相位差其次记录运动件4的最终位置处，上述主光栅读数单元3和测量光栅读数单元6的信号相位差

d、通过微动元件8迫使主光栅读数单元3和测量光栅读数单元6发生二次移动，位移值为ΔL，使得两路信号的相位差由恢复到将ΔL带入如下公式可求得Δl值：