[發明專利]差頻主動掃描式光柵位移傳感器及測量方法

有效

• 申請號: 201811027296.0
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109307475B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 葉國永;劉紅忠;武澤澤;史永勝;尹磊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 61215 西安智大知識產權代理事務所
• 代理人: 段俊濤

本發明公開了一種差頻主動掃描式光柵位移傳感器及測量方法，實現了以柵距差為基準的光柵測量，解決了宏微跨尺度測量中的高精度測量難題。本發明的具體實現方法為：將被測位移L分為L_n和Δl兩部分，L_n的大小為n/4(n＝0,1,2,3…)倍的主光柵柵距P₁，由光柵測量方法獲取；Δl是被測位移L中不足P₁/4的部分，首先記錄Ln處主光柵讀數單元和測量光柵讀數單元信號的相位差其次記錄最終位置L處，兩讀數單元的信號相位差最后通過微動元件使兩個讀數單元發生二次移動ΔL，使得信號的相位差由恢復到可得Δl＝(P₁?P₂)·ΔL/P₂；最終可得被測位移值L＝L_n+Δl。本發明利用柵距差(P₁?P₂)作為測量基準，通過微動元件在P₁/4的量程內獲得了更高測量分辨率(大于微動元件分辨率)。

技術領域

本發明屬于精密測量技術領域，特別涉及一種差頻主動掃描式光柵位移傳感器及測量方法。該傳感器及測量方法主要用于線位移和角位移的測量。

背景技術

高精度光柵測量系統是一種精度僅次于激光干涉儀的大量程納米測量裝置，在裝備制造業中具有非常重要的地位。其以光柵的柵距為測量基準，具有良好的環境適應性、緊湊的系統結構和較低的價格成本等優勢。

目前高精度光柵測量系統分辨率主要取決于光柵柵線的刻劃技術能力和光柵莫爾條紋的細分倍數。目前商業化最小柵距的光柵是德國海德漢公司的LIP382光柵位移傳感器，其柵距為512nm。在電子細分技術領域，英國Renishaw公司的ATOM系列光柵位移傳感器產品使用柵距20μm的光柵，配合20000倍的電子細分技術實現了1nm測量分辨率。但在如此高的細分倍數下，對原始條紋信號的波形及正交性提出了近乎苛刻的要求，給安裝調試帶來了很大的難度。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種差頻主動掃描式光柵位移傳感器及測量方法，通過利用兩個不同柵距的光柵尺(分為主光柵尺和測量光柵尺)，以柵距差(P₁-P₂)作為測量基準，通過較低分辨率的微動元件在P₁/4的量程內獲得了更高測量分辨率(大于微動元件分辨率)，同時利用組合測量(L_n+Δl)的方式最終得到大尺度及高精度的測量結果。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種差頻主動掃描式位移測量方法，在非運動件1上放置柵距為P₁的主光柵尺2，在運動件4上放置柵距為P₂的測量光柵尺5，且P₁≠P₂，將被測位移L分為L_n和Δl兩個部分，即被測位移L＝L_n+Δl，Ln的大小為主光柵尺2柵距P1的n/4倍，即n為光柵測量方法中讀數單元輸出信號在4細分倍數下的脈沖個數，n＝0,1,2,3…；Δl為被測位移L中剩余的不足P₁/4的部分，具體包括如下步驟：

a、將運動件4復位到測量初始位置，微動元件8帶動主光柵讀數單元3和測量光柵讀數單元6復位到初始位置，運動件4相對于非運動件1向某一方向運動產生被測位移L；

b、采用光柵讀數單元的信號計量方法獲取距離L_n；

c、對于距離Δl，首先記錄L_n處主光柵讀數單元3和測量光柵讀數單元6信號的相位差其次記錄運動件4的最終位置處，上述主光柵讀數單元3和測量光柵讀數單元6的信號相位差

d、通過微動元件8迫使主光柵讀數單元3和測量光柵讀數單元6發生二次移動，位移值為ΔL，使得兩路信號的相位差由恢復到將ΔL帶入如下公式可求得Δl值：