长度光栅测量系统的误差修正技术

　　目前长度光栅测量系统的分辨率可达到微米级、亚微米级甚至纳米级。光电技术、计算机技术的发展,有力地推动长度光栅测量系统的发展和应用。研制高分辨率、高准确度的长度光栅测量系统是测量技术发展的需要,同时高准确度的长度光栅测量系统也具有广泛的应用前景[1]。

　　在光栅系统的实际应用中,误差修正问题直接影响到长度光栅测量系统的测量准确性。因此,开展长度光栅测量系统误差修正问题的研究是促进光栅技术发展的重要环节。

　　1　误差来源及特点

　　长度光栅测量系统是指利用光栅原理对位移量进行接收、转换、细分、量化和显示的整个测量装置。长度光栅测量系统原理如图1所示。

　　长度光栅测量系统具有如下特点:同时具备高分辨率和大量程的测量能力;光栅的栅线精度高,而且光栅节距还可以进行电子细分;易于实现自动测量,具有较高的测量速度;具有较高的抗干扰能力,对于环境的适应性比较强。

　　随着科学技术的发展、加工水平的提高,利用精密的机械和光学结构保证测量系统的重复性,采用高细分的信号处理技术能够使长度光栅测量系统获得纳米级的分辨率。例如Heidenhain公司推出的双光栅系统使用多普勒方法,使系统的分辨率达到1nm。

　　长度光栅测量系统包括两个指标:其一,测量系统在全行程范围内的位移精度;其二,栅距的细分精度。测量系统在全行程范围内的位移精度除了与标尺光栅相关外,与光栅系统的机械结构、光学设计和调整情况同样密切相关。栅距的细分精度不仅和莫尔条纹的信号质量有关,同时,与上述因素有关。这些影响表现在长度光栅测量系统的示值误差中,其具有两个特性,即示值的重复性和系统误差。通过提高长度光栅测量系统设计水平和装调水平可以有效地解决测量的重复性问题,但系统误差则需要修正技术解决。

　　2　误差修正原理[2]

　　式中: W为误差; L为长度测量值; L0为长度标准值。

　　请参阅图2,采用光电显微镜、线纹尺和最小二乘算法对长度光栅测量系统进行修正。在这里,线纹尺经过激光干涉仪标定用来检定长度光栅测量系统,其长度值作为修正系统的标准值;长度光栅测量系统的读数是修正系统的测量值。L是个随时间变化的量,通过在全程内选取适当条线纹,转换为离散的时间信号[3]。在选取的条纹上取值,用光栅系统的位移量与线纹尺的标准值相比,差值即为误差。根据修正量等于负的误差的原理进行补偿。

　　将各差值点用最小二乘法拟合,生成修正公式。将修正公式赋在长度光栅测量系统程序之中实现自动修正。重复上述过程,再次测出的差值为残差,如果残差大于预期要求,将残差值点用最小二乘法拟合,进行二次修正[4, 5]。