本發(fā)明涉及精密測量技術領域，尤其涉及一種光柵干涉儀對準誤差實時校正方法。

背景技術：

光柵干涉儀是精密測量技術中的一種有效方法與技術，與傳統(tǒng)的單頻、雙頻激光干涉儀相比，光柵干涉儀的位移測量基準是光柵柵距，激光干涉儀的測量基準是激光波長，光柵干涉儀可使用半導體激光二極管作為激光光源，對激光光源的要求較激光干涉儀相比較低，降低了光源成本，同時光柵干涉儀采用光柵柵距作為測量基準，減少了環(huán)境因素(如空氣擾動、濕度、溫度)對測量精度的影響。

在光柵干涉儀測量系統(tǒng)中，光學讀數(shù)頭與光柵安裝的對準誤差以及導軌直線度誤差導致光學讀數(shù)頭與光柵尺的對準誤差是測量結果最重要的誤差源，光柵與光學讀數(shù)頭之間的對應空間位姿關系如圖1所示，光學讀數(shù)頭與光柵尺的相對位姿對輸出信號的測量精度影響較大。在實際使用中，由于安裝對準誤差以及導軌直線度誤差，光學讀數(shù)頭相對于光柵尺的x軸、y軸和z軸偏轉誤差導致讀數(shù)頭根據(jù)干涉信號計算的位移測量值與光柵尺對應的位移值不一致，對測量結果精度影響較大。因此在測量過程中，如何測量并補償光柵光學讀數(shù)頭相對光柵尺相對位姿的x軸、y軸和z軸偏轉誤差是提高光柵干涉儀測量精度的關鍵。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種光柵干涉儀對準誤差實時校正方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種光柵干涉儀對準誤差實時校正方法，包括有光柵干涉儀位移測量光路、位姿偏轉檢測光路、光電檢測模塊、干涉信號處理與誤差補償模塊，所述的光柵干涉儀位移測量光路包括有激光器、偏振分光鏡一、四分之一波片一、光柵尺、偏振分光鏡二、四分之一波片二、偏振分光鏡三、四分之一波片三、偏振分光鏡四、電探測器一、電探測器二、電探測器三、電探測器四；所述的位姿偏轉檢測光路包括有半透半反鏡一、半透半反鏡二、聚焦透鏡一和聚焦透鏡二、四象限探測器一、四象限探測器二；所述的激光器發(fā)出準直光束經(jīng)偏振分光鏡一和四分之一波片一組成的隔離器后，垂直照射到光柵尺表面發(fā)生衍射，±1級衍射光分別經(jīng)過半透半反鏡一和半透半反透鏡二后分成兩束透射光和兩束反射光，兩束反射光相互垂直并入射到偏振分光鏡二后，分別分成兩束振動方向相互垂直的兩束偏振光束，兩束光分別經(jīng)過四分之一波片二和四分之一波片三后變?yōu)閳A偏振光，再分別經(jīng)過偏振分光鏡三和偏振分光鏡四后進行偏振干涉，產(chǎn)生四路光分別進入電探測器一、電探測器二、電探測器三、電探測器四，再通過光電檢測模塊進行光電轉換、放大濾波；經(jīng)過半透半反鏡一和半透半反透鏡二后的兩束透射光分別經(jīng)過聚焦透鏡一和聚焦透鏡二后聚焦到四象限探測器一、四象限探測器二，再通過光電檢測模塊進行光電轉換、放大濾波；所述的干涉信號處理與誤差補償模塊接收到光電檢測模塊傳送的信號后，對光柵干涉儀位移信號解調與光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差補償。

所述的位姿偏轉檢測光路左右對稱布置，四象限探測器一和二四個象限的位置對稱分布，在光學讀數(shù)頭與光柵尺對準情況下，準直激光束垂直照射到光柵尺衍射，其±1級衍射光經(jīng)半透半反鏡的透射光，聚焦透鏡將透射光聚焦在四象限探測器檢測面中心位置，四象限探測器四個象限輸出電流相同；當存在光柵傳感器安裝對準誤差和導軌直線度誤差，四象限探測器四個象限輸出電流不平衡，建立繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差角度與對稱布置的兩個四象限探測器輸出電壓信號的對應關系，在光柵干涉儀信號處理與誤差補償模塊中通過對x軸、y軸和z軸偏轉誤差實時補償來提高光柵干涉儀的測量精度。

所述的光電檢測模塊包括有i/v轉換模塊和前置放大濾波模塊，將帶有位移相位信息的光干涉周期信號轉換為正交電信號，四象限探測器信號光電轉換將四象限光照強度信號轉換為電流信號，經(jīng)過i/v轉換、放大濾波后轉換為電壓信號。

所述的干涉信號處理與誤差補償模塊包括對正交信號進行位移解調、對光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差進行測量并進行補償；正交信號解調通過對整周期信號計數(shù)與非正周期相位細分的方式實現(xiàn)讀數(shù)頭讀取信號的位移計算，通過光柵尺與光學讀數(shù)頭相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉實驗標定的方法建立偏轉角度與兩個四象限探測器輸出信號之間的誤差測量模型，通過誤差補償模型對測量結果進行補償。

兩個四象限探測器輸出信號與繞x軸、y軸和z軸偏轉量之間誤差測量模型通過實驗標定的方法進行，光學讀數(shù)頭相對光柵尺位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉量分別通過6自由度精密定位工作臺給定基準偏轉量，檢測兩個四象限探測器輸出電壓值，通過歸一化建立偏轉誤差檢測模型。實際測量中，根據(jù)兩個四象限探測器輸出電壓值，通過誤差測量模型計算繞x軸、y軸和z軸偏轉量，帶入誤差修正模型對光柵干涉儀讀數(shù)頭輸出信號位移測量值進行實時修正。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明利用對稱光路以及四象限探測器來測量光學讀數(shù)頭相對于光柵尺空間位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉量，通過誤差補償模型對位移測值實時進行實時校正，最終達到提高光柵干涉儀測量精度的目的，測量簡單，誤差小。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光柵光學讀數(shù)頭與光柵尺空間位姿對準關系圖。

圖2是本發(fā)明檢測光路結構圖。

圖3是本發(fā)明四象限探測器結構示意圖。

圖4是光學讀數(shù)頭相對光柵尺位姿與兩四象限探測器接收光斑位置示意圖。

圖5是本發(fā)明光柵干涉儀對準誤差校正方法信號處理流程圖。

具體實施方式

如圖2、3、4、5所示，一種光柵干涉儀對準誤差實時校正方法，包括有光柵干涉儀位移測量光路20、位姿偏轉檢測光路21、光電檢測模塊22、干涉信號處理與誤差補償模塊23，所述的光柵干涉儀位移測量光路20包括有激光器1、偏振分光鏡一2、四分之一波片一3、光柵尺4、偏振分光鏡二9、四分之一波片二10、偏振分光鏡三11、四分之一波片三12、偏振分光鏡四13、電探測器一14、電探測器二15、電探測器三16、電探測器四17；所述的位姿偏轉檢測光路21包括有半透半反鏡一5、半透半反鏡二6、聚焦透鏡一7和聚焦透鏡二8、四象限探測器一18、四象限探測器二19；所述的激光器1發(fā)出準直光束經(jīng)偏振分光鏡一2和四分之一波片一3組成的隔離器后，垂直照射到光柵尺4表面發(fā)生衍射，±1級衍射光分別經(jīng)過半透半反鏡一5和半透半反透鏡二6后分成兩束透射光和兩束反射光，兩束反射光相互垂直并入射到偏振分光鏡二9后，分別分成兩束振動方向相互垂直的兩束偏振光束，兩束光分別經(jīng)過四分之一波片二10和四分之一波片三11后變?yōu)閳A偏振光，再分別經(jīng)過偏振分光鏡三11和偏振分光鏡四12后進行偏振干涉，產(chǎn)生四路光分別進入電探測器一14、電探測器二15、電探測器三16、電探測器四17，再通過光電檢測模塊22進行光電轉換、放大濾波；經(jīng)過半透半反鏡一5和半透半反透鏡二6后的兩束透射光分別經(jīng)過聚焦透鏡一7和聚焦透鏡二8后聚焦到四象限探測器一18、四象限探測器二19，再通過光電檢測模塊22進行光電轉換、放大濾波；所述的干涉信號處理與誤差補償模塊23接收到光電檢測模塊22傳送的信號后，對光柵干涉儀位移信號解調與光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差補償。

所述的位姿偏轉檢測光路左右對稱布置，四象限探測器一18和二19四個象限的位置對稱分布，在光學讀數(shù)頭與光柵尺對準情況下，準直激光束垂直照射到光柵尺衍射，其±1級衍射光經(jīng)半透半反鏡的透射光，聚焦透鏡將透射光聚焦在四象限探測器檢測面中心位置，四象限探測器四個象限輸出電流相同；當存在光柵傳感器安裝對準誤差和導軌直線度誤差，四象限探測器四個象限輸出電流不平衡，建立繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差角度與對稱布置的兩個四象限探測器輸出電壓信號的對應關系，在光柵干涉儀信號處理與誤差補償模塊中通過對x軸、y軸和z軸偏轉誤差實時補償來提高光柵干涉儀的測量精度。

所述的光電檢測模塊包括有i/v轉換模塊和前置放大濾波模塊，將帶有位移相位信息的光干涉周期信號轉換為正交電信號，四象限探測器信號光電轉換將四象限光照強度信號轉換為電流信號，經(jīng)過i/v轉換、放大濾波后轉換為電壓信號。

所述的干涉信號處理與誤差補償模塊包括對正交信號進行位移解調、對光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差進行測量并進行補償；正交信號解調通過對整周期信號計數(shù)與非正周期相位細分的方式實現(xiàn)讀數(shù)頭讀取信號的位移計算，通過光柵尺與光學讀數(shù)頭相對位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉實驗標定的方法建立偏轉角度與兩個四象限探測器輸出信號之間的誤差測量模型，通過誤差補償模型對測量結果進行補償。

光柵光學讀數(shù)頭與光柵尺之間的空間位姿對準關系如圖1所示，光柵尺坐標系和光學讀數(shù)頭坐標系分別為xyz和xyz，理想狀況下，兩個坐標系的三軸方向相互平行，光學讀數(shù)頭測量的x方向位移即為光柵尺坐標系下x方向的位移，但由于光學讀數(shù)頭與光柵尺安裝對準誤差以及導軌直線度誤差導致光學讀數(shù)頭與光柵尺在實際測量中存在位姿偏轉誤差，光學讀數(shù)頭相對于理想位姿狀態(tài)存在繞x軸、y軸和z軸的偏轉，導致光學讀數(shù)頭測量值x與在光柵尺xyz坐標下的位移值不一致，從而直接影響位移測量精度。本發(fā)明在光柵干涉儀光路中嵌入對稱的空間位姿偏轉檢測光路，利用兩個四象限探測器對繞x軸、y軸和z軸偏轉誤差進行檢測，通過誤差補償模型實現(xiàn)光柵干涉儀測量結果誤差的實時修正。

激光器1發(fā)射的準直光束經(jīng)過偏振分光鏡一2和四分之一波片一3組成的隔離器后變?yōu)閳A偏振光后垂直射入光柵尺4，光柵尺4衍射產(chǎn)生±1級衍射光與入射光束左右對稱分布，半透半反鏡一5和二6為透射和反射參數(shù)性能相同，±1級衍射光分別經(jīng)過對稱放置的半透半反鏡一5和二6后分為透射和反射光束，調整半透半反鏡一5和二6使其左右兩束反射光束相互垂直并入射到偏振分光鏡二9，左右兩束反射光經(jīng)偏振分光鏡二9分別分成兩束振動方向相互垂直的兩束偏振光束，這兩束光分別經(jīng)過四分之一波片二10和三12后變?yōu)閳A偏振光，再分別經(jīng)過偏振分光鏡三11和四13后進行偏振干涉，產(chǎn)生四路相位相差90°的干涉信號，分別被光電探測器14、15、16和17接收，經(jīng)過光電轉換后轉變?yōu)樗穆废辔幌嗖?0°的電流信號i14、i15、i16和i17：

其中d為光柵尺柵距，x為光學讀數(shù)頭相對光柵尺的位移，由正交信號整周期計數(shù)和相位細分可獲得高分辨率光學讀數(shù)頭輸出位移值x。

半透半反鏡一5和二6的透射光由聚焦透鏡一7和二8后聚焦到四象限光電探測器一18和二19上，為光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿對準誤差檢測光路，光學讀數(shù)頭與光柵尺相對空間位姿誤差包括繞讀數(shù)頭x軸、y軸和z軸的偏轉，通過四象限光電探測器來檢測光柵尺與光學讀數(shù)頭相對位姿誤差，對光學讀數(shù)頭讀數(shù)值補償后來提高光柵干涉儀的測量精度。四象限探測器結構如圖3所示，由于光柵傳感器安裝對準或導軌直線度誤差，當光學讀數(shù)頭相對光柵尺存在空間偏轉角度時，衍射光束的方向也會發(fā)生改變，從光柵尺衍射的±1級衍射光經(jīng)半透半反鏡一5和二6以及聚焦透鏡一7和二8聚焦于四象限探測器一18和二19上，聚焦光斑在四象限探測器與光柵尺平行和垂直方向存在位置偏移量，由于四象限探測器具有相同光電轉換參數(shù)的四個光電探測器拼接而成，當聚焦光斑照射在四象限探測器的中心四象限對稱分布時，每個象限的光電流相等，當光斑偏離中心照射時，則每個象限的感應電流不同，進而可以通過不同象限之間光電流差異來檢測光斑偏離中心的位置。

在進行光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿對準誤差檢測前，首先建立光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿對準誤差檢測模型。使用6自由度精密定位工作臺，精確調整光柵尺與光學讀數(shù)頭相對位置處于理想位置，調整四象限探測器位置使其輸出電壓差值為零，通過6自由度精密定位工作臺，使光學讀數(shù)頭相對光柵尺繞x、y和z軸在光學讀數(shù)頭與光柵尺安裝極限偏差的范圍偏轉，利用數(shù)據(jù)采集卡同時采集6自由度精密定位工作臺繞x、y和z軸的旋轉角度與兩個四象限探測器輸出檢測電壓值，建立光學讀數(shù)頭與光柵尺繞x、y和z軸的旋轉角度與兩個四象限探測器輸出檢測電壓值之間的歸一化對應關系，即建立光學讀數(shù)頭與光柵尺相對位姿對準誤差檢測模型。

兩個四象限探測器輸出檢測電壓采用如下方法：光學讀數(shù)頭相對光柵尺位姿與兩四象限探測器接收光斑位置示意圖如圖4所示，當光學讀數(shù)頭相對光柵尺理想對準時，四象限探測器輸出電壓差值為零，當存在y軸偏轉時，左右四象限探測器的輸出電壓差值分別為δulx和δurx，當存在x軸偏轉時，左右四象限探測器的輸出電壓差值分別為δuly和δury，當存在z軸偏轉時，左右四象限探測器的輸出電壓差值分別為δulz和δurz，分別求出x軸、y軸和z軸兩個四象限探測器輸出的均值作為最終偏轉量對應檢測電壓輸出，三軸偏轉對應檢測電壓輸出分別為：

在獲得x軸、y軸和z軸方向旋轉角度與四象限輸出檢測電壓的對準誤差檢測檢測模型后，便可在實際工程應用中，通過上述建立的誤差檢測模型，根據(jù)兩個四象限探測器輸出檢測電壓，分別求出光學讀數(shù)頭相對光柵尺在x軸、y軸和z軸方向的偏轉量，帶入誤差修正模型對光柵干涉儀位移測量值實時修正。具體光柵尺坐標系xyz與光學讀數(shù)頭坐標系xyz之間的對準誤差修正模型如下：

其中，θx、θx、θx分別是光學讀數(shù)頭相對光柵尺繞x軸、y軸和z軸方向的偏轉量。在光柵干涉儀工程應用中，通過上述補償模型補償光學讀數(shù)頭讀出位移值x與光柵尺對應實際位移值x。

圖5所示為光柵干涉儀對準誤差校正方法信號處理流程圖，位移測量干涉光路產(chǎn)生干涉信號，干涉信號經(jīng)過光電轉換、i/v轉換、放大濾波電路后將該電信號采集到fpga中，對其進行整周期計數(shù)和相位細分后得到位移信號。位姿偏轉檢測光路產(chǎn)生的檢測光束經(jīng)過四象限探測器、i/v轉換、放大濾波電路后將該電信號采集到fpga中，通過對準誤差檢測模型計算出繞x軸、y軸和z軸的偏轉角度，再通過誤差補償模型求出實際位移量x。

本發(fā)明在光柵干涉儀光路中嵌入光柵光學讀數(shù)頭相對光柵尺的偏轉檢測光路，通過建立光學讀數(shù)頭相對光柵尺位姿繞x軸、y軸和z軸偏轉量與四象限光電探測器輸出檢測電壓之間的誤差檢測模型，檢測光學讀數(shù)頭相對光柵尺位姿偏轉量，利用誤差補償模型對光學讀數(shù)頭位移測值進行實時校正，最終達到提高光柵干涉儀測量精度的目的。

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。