長度光柵測量系統(tǒng)的誤差修正技術

臧洪濤（佳木斯市質量技術監(jiān)督檢驗檢測中心，黑龍江 佳木斯 154004）

長度光柵測量系統(tǒng)的誤差修正技術

臧洪濤
（佳木斯市質量技術監(jiān)督檢驗檢測中心，黑龍江 佳木斯 154004）

摘要：長度測量技術是近幾年工程建設、工業(yè)生產等領域研究最多的問題，其測量系統(tǒng)分辨率早已經達到微米、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，簡單的闡述了有關誤差修正技術，僅供同行工作參考。

關鍵詞：長度光柵測量系統(tǒng)；誤差；修正技術；分辨率；測量結果

目前，我國的長度光柵測量技術突飛猛進，已經達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、計算機技術和微電子技術在我國的飛速發(fā)展和普及給測量技術的進一步突破提供了技術指導，也在很大程度上促使了長度光柵測量技術的改進，使其應用范圍也越來越廣。在工作中，研究出分辨率高、準確度高的長度光柵測量系統(tǒng)已成為目前業(yè)界人士關注重點，也是當今長度測量工作的首要目標。但是在光柵測量系統(tǒng)的實際應用工作中，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)的進一步優(yōu)化和創(chuàng)新造成威脅，也讓測量技術的發(fā)展受到制約。因此，在當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，從而更好推動光柵技術的進一步發(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的物體進行長度測量，這種測量技術的利用是以測量、量化、細分、轉換、接收和現(xiàn)實為一體的綜合性內容，它也是對整個測量裝置開展全面、系統(tǒng)處理的一個過程。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：首先同時具備了分辨率高、測量目標范圍大的能力；其次，光柵的測量精確度高而且可以直接進行電子細分；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能力，能滿足各種復雜條件下的長度測量工作。目前，我國科學技術日新月異發(fā)展的同時，各種先進測量技術、測量設備不斷涌現(xiàn)，以精密機械與光學結合為基礎的測量原理逐漸被人們重視，且它在保證測量系統(tǒng)科學性、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)中一個至關重要的內容。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)基礎上進行了創(chuàng)新，使得系統(tǒng)分辨率高達納米等級。這一長度測量系統(tǒng)的應用包含了測量系統(tǒng)全程范圍內的位移精確度情況。第二，柵欄距離之間本身存在細分化進度優(yōu)點。因此，在測量的過程中可以直接對正在移動的物體進行測量，同時設備中除了具備標尺、光柵相關因素之外，在工作中我們還要高度重視光柵系統(tǒng)的內部組成和設計要求，并且及時有效的調整各種測量狀況，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)的重復性和誤差處理效果也相當明顯。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)誤差修正技術的研究仍然勢在必行，這也是未來長度測量領域工作研究重點。

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為長度標準值。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、線紋尺等設備來對長度光柵測量系統(tǒng)進行修正和處理的。這種測量技術在應用中對整個干涉測量準確性的內容會及時的加以處理和修正，并且將該長度尺作為具體的測量系統(tǒng)修正的技術依據。但是在實際工作中由于長度測量值本身是一個不斷變化的量值，因此在測量中可以適當的選擇能夠滿足實際工作需要的測量裝置，及時的預防測量中容易產生的各種誤差和故障問題。

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

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，利用沿線變動體系和測量標準值與移動光柵同步進行運動，在這個移動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鍵，也是觀察選中測量線數值的主要手段。

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)的應用中，誤差修正技術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科學的坐標點，然后利用公式來進行處理。其中如果將修正量表達式作為長度光柵測量系統(tǒng)的修正程序重點，那么在工作中我們就能夠實現(xiàn)自動修正的具體工作要求。

3　實驗研究

以200mm長線紋尺作為標準。線紋尺線紋間隔1mm，經過精光干涉儀標定。以KJY精密孔徑儀光柵系統(tǒng)為實驗研究對象，試驗裝置由光電顯微鏡、滑板、可調工作臺、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，光電顯微鏡的瞄準精度為0.03μm。可調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，在安裝線紋尺時盡量將線紋尺的零刻線與光柵系統(tǒng)的零位接近。

結語

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現(xiàn)自動修正。目前在已經在軍工系統(tǒng)的一些測量項目中應用，效果良好。該方法對于三坐標測量機、測長機、萬工顯、精密直線位移平臺等涉及光柵測長系統(tǒng)的設備都具有借鑒和參考價值。

參考文獻

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

圖3 實驗裝置示意圖

中圖分類號：TH71

文獻標識碼：A