[發明專利]一種相位調制光柵傳感器及實現測量的方法

有效

• 申請號: 201210128722.6
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102679882A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 夏豪杰
• 申請（專利權）人: 夏豪杰
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及一種用于位移和長度納米精度測量的相位調制光柵傳感器及實現測量的方法。

背景技術

基于納米技術的產業和半導體設備產業，需要高度可靠、具有快速穩定定位能力、精度達到亞納米水平的儀器。現在，激光干涉儀，電容測量儀和光柵傳感器都可以達到亞納米級分辨率，但是他們都有各自的問題，例如激光干涉儀對空氣溫度，濕度和大氣壓力的改變很敏感，影響測量的重復性。電容測量儀測量范圍小，安裝時調整過程困難。光柵傳感器結構緊湊，綜合光柵測量的誤差平均效應、信號穩定與干涉測量的高靈敏特點，把干涉測量的基準由光波波長轉為光柵常數，實現高精度位移測量，實際應用中比激光干涉儀具有更強的適應性。因此，盡管高端的光柵傳感器由于小間距(≥0.5微米)和短行程光柵，往往需要細致的安裝和信號調整，位置傳感器的應用仍然越來越廣泛。

目前激光光柵傳感器測量分辨率已經達到納米甚至皮米級。國內外典型高精度光柵測量傳感器產品性能如表1所示。從表中可以看出，光柵測量系統目前測量性能基本可以和激光干涉儀媲美，步入納米測量范疇。

表1典型激光光柵傳感器產品系統性能指標

基于激光光柵傳感器精度高、系統適用性強、結構緊湊，成本較低的技術優勢，國內外科研機構對衍射光柵測量的原理與方法進行了大量研究。就研究內容來說分為兩大類：基于衍射光柵的精密傳感方法研究和信號處理方法研究。

圖1所示為衍射式光柵傳感器原理圖，光源1(內置聚光鏡的半導體激光器)發出平行光入射到高線數光柵2上，±1級衍射光分別由反射鏡3和4反射到分光鏡5，會聚于光電器件6上，當光柵移動時，兩束光發生干涉，通過對干涉信號的處理得到光柵的位移信息。該種光柵傳感器對光柵讀數頭和光柵之間的距離要求相對寬松，便于系統安裝。

基于種原理的的精密傳感方法，國內外一些研究機構和公司都提出了自己的想法和產品。如Heidenhain利用發光二極管(LED)與雙光柵組成LIP系列干涉掃描柵尺，實現了小于1nm分辨率；M.Dobosz利用單衍射光柵測量結構在50mm量程內實現20nm的分辨率，0.1um的精度；Lee等人針對目前光柵干涉測量光路進行優化設計，提高系統安裝容許公差，實現納米測量；合肥工業大學費業泰和范光照團隊研制的衍射光柵納米位移測量系統，30mm的測量范圍達到20nm的精度等等。

目前國內外針對光柵納米測量技術提出了各種不同的原理方法，其核心目的就是降低信號噪聲、提高系統容差能力，但目前光柵納米測量技術難以滿足深納米測量的需要，其主要技術障礙為：

(1)信號直流漂、幅值波動是制約激光光柵傳感器納米測量精度、速度最重要因素。

半導體激光器功率輸出不穩定、電路噪聲、光源功率漂移、光電接收器都是造成直流漂移的因素。光柵納米測量技術大多采用檢偏移相法獲得四個相位差為90度的信號，利用差動放大技術降低直流漂移影響，但實際使用過程中，由于光電接收器的差異等因素并不能有效去除直流分量。

幅值波動的影響因素有：光柵面光學特性的不均勻以及實際應用中測量速度變化。測量信號讀取時，由于低通濾波降噪以及光電轉換器件的固有特性，當測量速度較大時測量信號的幅值下降，在應用過程中，雖然可以采用數字信號處理手段實現良好的穩幅，但這些方法都是從幅值的變化規律中去預測下一時間點的信號幅值修正方法，實時性較差，從而實際應用中限制了測量速度。

(2)測量系統缺少激光光柵納米傳感器中實時誤差補償與校準修正技術。

在精密測量系統中，尋找系統運行過程中的誤差特點與規律，利用電子技術進行實時誤差補償，是研制納米精度測量設備經濟有效的方法。但是目前文獻報道系統沒有實時誤差測量補償模塊。

發明內容

本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種能實現納米精度位移測量的相位調制光柵傳感器及實現測量的方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：