本發(fā)明涉及光柵尺測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種多碼道光柵尺。

背景技術(shù)：

光柵尺是精密測(cè)量、精密加工中的重要測(cè)量工具，光柵作為光柵尺的關(guān)鍵部件，在測(cè)量中起參考刻度的作用。絕對(duì)式光柵尺在測(cè)量前不需要大范圍移動(dòng)歸零，在測(cè)量過程中可以實(shí)時(shí)提供絕對(duì)位移信息，并且累積誤差很小，是光柵尺技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

在現(xiàn)有的技術(shù)方案中，絕對(duì)式光柵尺一般為帶參考點(diǎn)的光柵式，通過對(duì)量程內(nèi)若干個(gè)分立的參考點(diǎn)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量。這種原理的光柵尺嚴(yán)格來說是“準(zhǔn)絕對(duì)”光柵尺，即光柵尺在經(jīng)過一段位移檢測(cè)到某個(gè)參考點(diǎn)后才能輸出絕對(duì)位移，而不是開機(jī)即可立即輸出絕對(duì)位移。此外，這種光柵尺的精度取決于參考點(diǎn)檢測(cè)的精度，而參考點(diǎn)的檢測(cè)精度一般比光柵尺增量部分的分辨率低得多，在一定意義上浪費(fèi)了光柵尺的精密測(cè)量能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種多碼道光柵尺、一種多碼道光柵尺測(cè)量設(shè)備及一種多碼道光柵尺數(shù)據(jù)處理方法，可實(shí)現(xiàn)大量程的高精度絕對(duì)位移實(shí)時(shí)測(cè)量，在保證測(cè)量精度和量程的同時(shí)大幅降低絕對(duì)式光柵尺的系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種多碼道光柵尺，包括第一光柵碼道、第二光柵碼道、線性漸變?yōu)V光片碼道、兩個(gè)光柵讀數(shù)頭以及漸變片讀數(shù)頭，所述第一光柵碼道、所述第二光柵碼道與所述線性漸變?yōu)V光片碼道相互平行并列，所述兩個(gè)光柵讀數(shù)頭對(duì)應(yīng)于所述第一光柵碼道和所述第二光柵碼道而設(shè)置，所述漸變片讀數(shù)頭對(duì)應(yīng)于所述線性漸變?yōu)V光片碼道而設(shè)置，所述第一光柵碼道、所述第二光柵碼道和所述線性漸變?yōu)V光片碼道設(shè)置成沿長(zhǎng)度方向水平移動(dòng)，所述兩個(gè)光柵讀數(shù)頭和所述漸變片讀數(shù)頭保持固定，并分別使用波長(zhǎng)為λ的激光對(duì)所述第一光柵碼道、所述第二光柵碼道和所述線性漸變?yōu)V光片碼道進(jìn)行探測(cè)，其中所述光柵讀數(shù)頭獲取光柵尺的位移-干涉相位信息，所述漸變片讀數(shù)頭獲取所述漸變片的位移-反射光強(qiáng)度信息。

進(jìn)一步地：

所述第一光柵碼道和所述第二光柵碼道為一維反射式光柵，光柵周期分別λ₁和λ₂，兩光柵周期λ₁≈λ₂且具有恒定的光柵周期差。

所述線性漸變?yōu)V光片碼道包括相貼合設(shè)置的反射鏡和線性濾光片，所述反射鏡的反射率與沿長(zhǎng)度方向的位置呈確定的線性關(guān)系。

所述光柵讀數(shù)頭為干涉式光柵尺讀數(shù)頭。

一種多碼道光柵尺測(cè)量設(shè)備，包括所述的光柵尺以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)用于對(duì)所述光柵讀數(shù)頭和所述漸變片讀數(shù)頭獲取的信息進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量。

一種多碼道光柵尺數(shù)據(jù)處理方法，基于所述的光柵尺獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理方法定義有以下參數(shù)：合成波長(zhǎng)λ_S，絕對(duì)位移x，第一光柵尺碼道干涉信號(hào)相位第二光柵尺碼道干涉信號(hào)相位相位差相位細(xì)分精度K倍，線性漸變?yōu)V光片碼道反射光強(qiáng)度I，滿足：I＝ax，其中a為線性系數(shù)；

所述合成波長(zhǎng)為：

所述相位差

光柵尺的絕對(duì)位置計(jì)算使用逐級(jí)細(xì)化的方法，包含下列步驟：

1)根據(jù)線性漸變?yōu)V光片碼道的反射光強(qiáng)初步判斷絕對(duì)位置x所處的區(qū)間[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S],其中為一級(jí)細(xì)分的整數(shù)部分；

2)根據(jù)相位差來對(duì)合成波長(zhǎng)區(qū)間[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S]進(jìn)行一級(jí)相位細(xì)分，得到絕對(duì)位置

3)根據(jù)第一或第二光柵碼道干涉信號(hào)相位或進(jìn)行級(jí)間過渡，對(duì)于第一光柵碼道，將絕對(duì)位置過渡到區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₁,k₁λ_S+(k₂+1)λ₁]，對(duì)于第二光柵碼道，將絕對(duì)位置過渡到區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]，其中為二級(jí)細(xì)分的整數(shù)部分；

4)根據(jù)相位差來對(duì)合成波長(zhǎng)區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]進(jìn)行二級(jí)相位細(xì)分，最終得到準(zhǔn)確絕對(duì)位置

進(jìn)一步地，線性漸變?yōu)V光片碼道反射光強(qiáng)度檢測(cè)誤差ΔI≤aλ_S，相位細(xì)分精度

采用本發(fā)明提出的多碼道光柵尺數(shù)據(jù)及處理方法能夠得到高精度的絕對(duì)位移信息?；诒景l(fā)明提出的多碼道光柵尺，通過本發(fā)明提出的方法，使用三個(gè)簡(jiǎn)單的碼道即可實(shí)現(xiàn)大量程的高精度絕對(duì)位移實(shí)時(shí)測(cè)量，在保證測(cè)量精度和量程的同時(shí)大幅降低了絕對(duì)式光柵尺的系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的多碼道光柵尺，可以不借助復(fù)雜的多碼道編碼或絕對(duì)位置參考點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量，絕對(duì)位移的測(cè)量精度達(dá)到所述增量式光柵尺碼道的精度級(jí)別，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本較低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的多碼道光柵尺結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參閱圖1，一種多碼道光柵尺，包括第一光柵碼道G1、第二光柵碼道G2、線性漸變?yōu)V光片碼道A、兩個(gè)光柵讀數(shù)頭R1、R2以及漸變片讀數(shù)頭R3，所述第一光柵碼道G1、所述第二光柵碼道G2與所述線性漸變?yōu)V光片碼道A相互平行并列，所述兩個(gè)光柵讀數(shù)頭R1、R2對(duì)應(yīng)于所述第一光柵碼道G1和所述第二光柵碼道G2而設(shè)置，所述漸變片讀數(shù)頭R3對(duì)應(yīng)于所述線性漸變?yōu)V光片碼道A而設(shè)置，所述第一光柵碼道G1、所述第二光柵碼道G2和所述線性漸變?yōu)V光片碼道A設(shè)置成沿長(zhǎng)度方向水平移動(dòng)，所述兩個(gè)光柵讀數(shù)頭R1、R2和所述漸變片讀數(shù)頭R3保持固定，并分別使用波長(zhǎng)為λ的激光對(duì)所述第一光柵碼道G1、所述第二光柵碼道G2和所述線性漸變?yōu)V光片碼道A進(jìn)行探測(cè)，其中所述光柵讀數(shù)頭R1、R2獲取光柵尺的位移-干涉相位信息，所述漸變片讀數(shù)頭R3獲取所述漸變片的位移-反射光強(qiáng)度信息。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一光柵碼道G1和所述第二光柵碼道G2為一維反射式光柵，光柵周期分別λ₁和λ₂，兩光柵周期λ₁≈λ₂且具有恒定的光柵周期差。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述線性漸變?yōu)V光片碼道A包括相貼合設(shè)置的反射鏡和線性濾光片，所述反射鏡的反射率與沿長(zhǎng)度方向的位置呈確定的線性關(guān)系。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述光柵讀數(shù)頭R1、R2為干涉式光柵尺讀數(shù)頭。

一種多碼道光柵尺測(cè)量設(shè)備，包括所述的光柵尺以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)C，所述數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)C用于對(duì)所述光柵讀數(shù)頭R1、R2和所述漸變片讀數(shù)頭R3獲取的信息進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位移的測(cè)量。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多碼道光柵尺，可以通過三個(gè)相互平行并列的碼道實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的一維絕對(duì)位移測(cè)量。通過逐級(jí)細(xì)分的方法求取絕對(duì)位移，并且絕對(duì)位移的求取精度完全達(dá)到增量光柵的自身的精度等級(jí)，完全發(fā)揮了增量光柵尺原本的優(yōu)勢(shì)，并且克服了其無法直接給出絕對(duì)位移的缺點(diǎn)。

在一種優(yōu)選的實(shí)施例中，一種多碼道光柵尺數(shù)據(jù)處理方法，基于前述任一實(shí)施例的光柵尺獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)所述多碼道光柵尺結(jié)構(gòu)，所述方法定義以下參數(shù)：合成波長(zhǎng)λ_S，絕對(duì)位移x，第一光柵尺碼道干涉信號(hào)相位第二光柵尺碼道干涉信號(hào)相位相位差相位細(xì)分精度K倍，線性漸變?yōu)V光片碼道反射光強(qiáng)度I，滿足：I＝ax，其中a為線性系數(shù)。

其中，所述合成波長(zhǎng)

所述相位差

所述線性漸變?yōu)V光片碼道反射光強(qiáng)度檢測(cè)誤差ΔI≤aλ_S；

所述相位細(xì)分精度

所述的多碼道光柵尺絕對(duì)位置計(jì)算的逐級(jí)細(xì)化的方法，包含下列步驟：

1)根據(jù)線性漸變?yōu)V光片碼道的反射光強(qiáng)初步判斷絕對(duì)位置x所處的區(qū)間[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S],其中為一級(jí)細(xì)分的整數(shù)部分；

2)根據(jù)相位差來對(duì)合成波長(zhǎng)區(qū)間[k₁λ_S,(k₁+1)λ_S]進(jìn)行一級(jí)相位細(xì)分，得到絕對(duì)位置

3)根據(jù)第一或第二光柵碼道干涉信號(hào)相位或進(jìn)行級(jí)間過渡，對(duì)于第一光柵碼道，將絕對(duì)位置過渡到區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₁,k₁λ_S+(k₂+1)λ₁]，對(duì)于第二光柵碼道，將絕對(duì)位置過渡到區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]，其中為二級(jí)細(xì)分的整數(shù)部分。

4)根據(jù)相位差來對(duì)合成波長(zhǎng)區(qū)間[k₁λ_S+k₂λ₂,k₁λ_S+(k₂+1)λ₂]進(jìn)行二級(jí)相位細(xì)分，最終得到準(zhǔn)確絕對(duì)位置

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。