長度光柵測量系統(tǒng)的誤差修正技術(shù)

臧洪濤（佳木斯市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測中心，黑龍江 佳木斯 154004）

長度光柵測量系統(tǒng)的誤差修正技術(shù)

臧洪濤
（佳木斯市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測中心，黑龍江 佳木斯 154004）

摘要：長度測量技術(shù)是近幾年工程建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域研究最多的問題，其測量系統(tǒng)分辨率早已經(jīng)達(dá)到微米、亞微米乃至納米等級。本文就長度光柵測量工作中出現(xiàn)的誤差來源分析，簡單的闡述了有關(guān)誤差修正技術(shù)，僅供同行工作參考。

關(guān)鍵詞：長度光柵測量系統(tǒng)；誤差；修正技術(shù)；分辨率；測量結(jié)果

目前，我國的長度光柵測量技術(shù)突飛猛進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了微米級乃至納米級測量需求了。尤其在近幾年，信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)在我國的飛速發(fā)展和普及給測量技術(shù)的進(jìn)一步突破提供了技術(shù)指導(dǎo)，也在很大程度上促使了長度光柵測量技術(shù)的改進(jìn)，使其應(yīng)用范圍也越來越廣。在工作中，研究出分辨率高、準(zhǔn)確度高的長度光柵測量系統(tǒng)已成為目前業(yè)界人士關(guān)注重點(diǎn)，也是當(dāng)今長度測量工作的首要目標(biāo)。但是在光柵測量系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用工作中，誤差修正問題一直沒有得到有效的解決，其對長度光柵測量系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新造成威脅，也讓測量技術(shù)的發(fā)展受到制約。因此，在當(dāng)今工作中我們必須要高度重視誤差修正研究，從根本上解決長度光柵測量系統(tǒng)的制約因素，從而更好推動(dòng)光柵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1　長度光柵測量系統(tǒng)誤差來源

長度光柵測量系統(tǒng)主要指的是利用光柵原理對正在移動(dòng)的物體進(jìn)行長度測量，這種測量技術(shù)的利用是以測量、量化、細(xì)分、轉(zhuǎn)換、接收和現(xiàn)實(shí)為一體的綜合性內(nèi)容，它也是對整個(gè)測量裝置開展全面、系統(tǒng)處理的一個(gè)過程。其在具體工作中，工作原理如圖1所示。

在長度光柵測量系統(tǒng)中，具體的測量工作包含了以下特點(diǎn)：首先同時(shí)具備了分辨率高、測量目標(biāo)范圍大的能力；其次，光柵的測量精確度高而且可以直接進(jìn)行電子細(xì)分；再次在工作中光柵測量系統(tǒng)是一種智能測量系統(tǒng)，它本身具備良好的抗干擾能力和適應(yīng)能力，能滿足各種復(fù)雜條件下的長度測量工作。目前，我國科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的同時(shí)，各種先進(jìn)測量技術(shù)、測量設(shè)備不斷涌現(xiàn)，以精密機(jī)械與光學(xué)結(jié)合為基礎(chǔ)的測量原理逐漸被人們重視，且它在保證測量系統(tǒng)科學(xué)性、統(tǒng)一性和安全性上有著突出作用。這也是光柵測量系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的內(nèi)容。比如，在工作中我們常采用的雙光柵系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)光柵系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，使得系統(tǒng)分辨率高達(dá)納米等級。這一長度測量系統(tǒng)的應(yīng)用包含了測量系統(tǒng)全程范圍內(nèi)的位移精確度情況。第二，柵欄距離之間本身存在細(xì)分化進(jìn)度優(yōu)點(diǎn)。因此，在測量的過程中可以直接對正在移動(dòng)的物體進(jìn)行測量，同時(shí)設(shè)備中除了具備標(biāo)尺、光柵相關(guān)因素之外，在工作中我們還要高度重視光柵系統(tǒng)的內(nèi)部組成和設(shè)計(jì)要求，并且及時(shí)有效的調(diào)整各種測量狀況，從根本上解決信號吻合及測量精確度問題，而且這種系統(tǒng)的重復(fù)性和誤差處理效果也相當(dāng)明顯。在工作中，我們通過提高光柵測量系統(tǒng)的水平，能夠有效的解決各種光柵測量誤差問題，但需要注意的是系統(tǒng)誤差修正技術(shù)的研究仍然勢在必行，這也是未來長度測量領(lǐng)域工作研究重點(diǎn)。

圖1 長度光柵測量工作原理圖

2　誤差修正原理

W=L-L0式中：W為誤差；L為長度測量值；L0為長度標(biāo)準(zhǔn)值。在具體的工作中，誤差修正的原理可以用圖2表示，它是利用光電顯微鏡、線紋尺等設(shè)備來對長度光柵測量系統(tǒng)進(jìn)行修正和處理的。這種測量技術(shù)在應(yīng)用中對整個(gè)干涉測量準(zhǔn)確性的內(nèi)容會及時(shí)的加以處理和修正，并且將該長度尺作為具體的測量系統(tǒng)修正的技術(shù)依據(jù)。但是在實(shí)際工作中由于長度測量值本身是一個(gè)不斷變化的量值，因此在測量中可以適當(dāng)?shù)倪x擇能夠滿足實(shí)際工作需要的測量裝置，及時(shí)的預(yù)防測量中容易產(chǎn)生的各種誤差和故障問題。

2.1測量標(biāo)準(zhǔn)。在過去的測量工作中，人們經(jīng)常都習(xí)慣將等間距玻璃線作為測量標(biāo)準(zhǔn)線，也是長度光柵測量系統(tǒng)中的誤差衡量標(biāo)準(zhǔn)線。在測量中，線尺在經(jīng)過激光干涉儀的時(shí)候我們可以將長度值和激光的波長按照一定標(biāo)準(zhǔn)排列，從而達(dá)到提高測量準(zhǔn)確性的目的。

2.2誤差測量。在測量中，通過將線紋尺直接放置在長度光柵測量系統(tǒng)之上，利用沿線變動(dòng)體系和測量標(biāo)準(zhǔn)值與移動(dòng)光柵同步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)移動(dòng)過程中光電顯微鏡一直發(fā)揮不可替代的作用，它是保證測量誤差的關(guān)鍵，也是觀察選中測量線數(shù)值的主要手段。

圖2 光柵誤差修正原理

2.3誤差修正。長度光柵測量系統(tǒng)的應(yīng)用中，誤差修正技術(shù)的采用完全可以按照上述公式來開展，在誤差修正中利用先線尺本身長度作為測量橫軸，利用測量誤差和縱橫軸建立一個(gè)科學(xué)的坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用公式來進(jìn)行處理。其中如果將修正量表達(dá)式作為長度光柵測量系統(tǒng)的修正程序重點(diǎn)，那么在工作中我們就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)修正的具體工作要求。

3　實(shí)驗(yàn)研究

以200mm長線紋尺作為標(biāo)準(zhǔn)。線紋尺線紋間隔1mm，經(jīng)過精光干涉儀標(biāo)定。以KJY精密孔徑儀光柵系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)研究對象，試驗(yàn)裝置由光電顯微鏡、滑板、可調(diào)工作臺、線紋尺和光柵系統(tǒng)組成如圖3所示。

KJY精密孔徑儀的光柵系統(tǒng)采用RENISHAW的0.1μm的光柵頭及光柵尺，光電顯微鏡的瞄準(zhǔn)精度為0.03μm。可調(diào)工作臺置于儀器的滑板上，滑板與儀器的光柵系統(tǒng)剛性連接。將線紋尺安裝在可調(diào)工作臺上，則線紋尺位于長度光柵測量系統(tǒng)主光柵的沿線上，在安裝線紋尺時(shí)盡量將線紋尺的零刻線與光柵系統(tǒng)的零位接近。

結(jié)語

總之，這種光柵測長系統(tǒng)的誤差修正方法原理簡單，修正精度高并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正。目前在已經(jīng)在軍工系統(tǒng)的一些測量項(xiàng)目中應(yīng)用，效果良好。該方法對于三坐標(biāo)測量機(jī)、測長機(jī)、萬工顯、精密直線位移平臺等涉及光柵測長系統(tǒng)的設(shè)備都具有借鑒和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]湯天瑾，曹向群，林斌.計(jì)量光柵制造綜述[J].光學(xué)儀器，2004（04）.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

中圖分類號：TH71

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A