專利名稱：精密長(zhǎng)度測(cè)量與控制實(shí)時(shí)綜合修正方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算技術(shù)控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量和位移控制時(shí)的He-Ne激光波長(zhǎng)類長(zhǎng)度基準(zhǔn)器及測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)工件各實(shí)時(shí)影響因素進(jìn)行總體性綜合修正的方法及實(shí)現(xiàn)這一方法的一種裝置，尤其適用于長(zhǎng)度基準(zhǔn)傳遞，位移控制和精密測(cè)量技術(shù)?，F(xiàn)行國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的長(zhǎng)度測(cè)量方法是量塊比較法，國(guó)家制定了一至六等量塊傳遞的等級(jí)制度，任何等級(jí)的長(zhǎng)度計(jì)量，必須用大量的系列量塊以供各種長(zhǎng)度尺寸比較，操作繁、效率低、成本高。世界上先進(jìn)的長(zhǎng)度計(jì)量與控制技術(shù)中長(zhǎng)度基準(zhǔn)器多用He-Ne激光波長(zhǎng)發(fā)生器或模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器等。各國(guó)都規(guī)定了長(zhǎng)度計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，我國(guó)具體規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件是溫度T為20℃，氣壓P為760毫米水銀柱等等。在其他環(huán)境條件下計(jì)量得到的實(shí)際長(zhǎng)度都需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，以統(tǒng)一量衡，以供比較。He-Ne激光的真空波長(zhǎng)λg為6329.9148埃，由于長(zhǎng)度計(jì)量中激光束在空氣中傳播，激光實(shí)際波長(zhǎng)λ＝λg/n，其中n為空氣折射系數(shù)，n因空氣溫度T、氣壓P及濕度F，CO2含量C等參數(shù)的變化而變化。標(biāo)準(zhǔn)空氣條件下的n約為1.00027，故He-Ne標(biāo)準(zhǔn)激光波長(zhǎng)λ。為6328埃，實(shí)時(shí)中的He-Ne激光波長(zhǎng)λp＝f(T、P、F、C)，所以，以He-Ne激光發(fā)生器作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器的長(zhǎng)度計(jì)量設(shè)備中，實(shí)時(shí)He-Ne激光波長(zhǎng)λp受環(huán)境空氣條件制約，因環(huán)境空氣條件偏離于標(biāo)準(zhǔn)空氣條件而導(dǎo)致λp值相應(yīng)偏離于λ0值。以模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器的長(zhǎng)度計(jì)量設(shè)備中，一方面計(jì)量光柵、感應(yīng)同步器在其制作時(shí)受到因環(huán)境空氣條件偏離導(dǎo)致He-Ne激光波長(zhǎng)λp母體相應(yīng)偏離于λ0值的影響;另一方面，實(shí)際使用環(huán)境溫度又對(duì)模擬He-Ne激光波長(zhǎng)載體材料和被測(cè)工件的線膨脹量產(chǎn)生影響;再一方面，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)光、機(jī)、電的復(fù)雜組合系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生一些線性系統(tǒng)誤差。為保證長(zhǎng)度計(jì)量的精確性、標(biāo)準(zhǔn)性，或必須苛刻要求長(zhǎng)度計(jì)量設(shè)備必須嚴(yán)格置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下制造和使用，并修正其系統(tǒng)線性誤差，或設(shè)法修正上述長(zhǎng)度基準(zhǔn)器和被測(cè)工件的誤差，以及測(cè)量設(shè)備的系統(tǒng)誤差。傳統(tǒng)的方法一是耗費(fèi)大量能源，使環(huán)境條件趨同于標(biāo)準(zhǔn)條件，這種保持標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下恒溫恒壓恒濕的方法成本高，能源費(fèi)，控制復(fù)雜，設(shè)備龐大;二是在穩(wěn)定的環(huán)境條件下分別使用傳感器測(cè)取環(huán)境溫度T，氣壓P、溫度F、CO2含量C等實(shí)時(shí)參數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)有關(guān)公式或曲線對(duì)相應(yīng)的有關(guān)誤差量進(jìn)行修正。美國(guó)HP公司的雙頻激光干涉儀就是采用后一種方法，使用傳感器采集溫度T，氣壓P等實(shí)時(shí)參數(shù)，輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理修正誤差的。這種方法系統(tǒng)復(fù)雜、并受傳感器精度影響，精度不高，操作不便，費(fèi)用很大。上述二種方法都無法實(shí)現(xiàn)精度較高的大量程長(zhǎng)度計(jì)測(cè)和在線測(cè)量，不利于廣泛應(yīng)用。此外，計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器在制作時(shí)采用了整數(shù)米制單位園整分格，導(dǎo)致一定誤差，影響了制作精度。傳統(tǒng)上對(duì)于模擬He-Ne激光波長(zhǎng)中的計(jì)量光柵、感應(yīng)同步器載體和被測(cè)工件的線膨脹量，長(zhǎng)度計(jì)量設(shè)備的系統(tǒng)誤差量，大多不加修正或粗略修正，造成總體測(cè)量精度不高。
本發(fā)明的目的就是提供一種與傳統(tǒng)方法迥異不同的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效、精度較高的總體性實(shí)時(shí)綜合修正方法以及實(shí)現(xiàn)這一方法的一種裝置，這種修正方法及裝置始終溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)，不使用任何傳感器，能一并綜合修正因環(huán)境使用溫度T、氣壓P、濕度F等因素對(duì)He-Ne激光波長(zhǎng)影響產(chǎn)生的誤差和因環(huán)境使用溫度對(duì)模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵感應(yīng)同步器載體和被測(cè)工件線膨脹量影響產(chǎn)生的誤差以及測(cè)長(zhǎng)設(shè)備的系統(tǒng)誤差，直接測(cè)定和顯示被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值。
本發(fā)明是通過如下途徑實(shí)現(xiàn)的假設(shè)要求長(zhǎng)度計(jì)量的誤差的誤差量不大于確定值Y，如前所述，He-Ne激光波長(zhǎng)受空氣折射系數(shù)n的影響，n又是環(huán)境空氣溫度T、氣壓P、濕度F、CO2含量C的函數(shù)。所以實(shí)際工況下的實(shí)時(shí)激光波長(zhǎng)λp為λp＝f1(n)＝f2(T.P.F.C) (1)在標(biāo)準(zhǔn)空氣條件附近，一般T、P、F、C對(duì)n的影響大致為dn/dT＝-0.93×10-6/℃dn/dP＝0.36×10-6/mmHgdn/dF＝-0.5×10-7/mmHg (2)dn/dC＝0.1×10-7/CO2含量每變化0.01%由于F、C對(duì)n的變化率為T、P對(duì)n的變化率的幾十乃至幾百分之一，而且在實(shí)際工況下F、C的變化率相對(duì)較小。所以，可忽略不計(jì)F、C對(duì)n的影響。于是，反映空氣折射系數(shù)n的Edlin公式可簡(jiǎn)化為(n-1)×108＝A+Kt(T-20)+Kp(P-760) (3)式中A-變化率補(bǔ)充系數(shù)，A＝27128，Kt-溫度變化率系數(shù)，Kt＝-93，Kp-氣壓變化率系數(shù)，Kp＝36，則n＝1628-93T+36P(4)
可看出，Kt＝2.5kp，即n(T.P)＝n(T+1，P+2.5)，從而可得，(n-1)×108具有斜方對(duì)稱性，采用(3)式或(4)式，精度誤差為被測(cè)長(zhǎng)度的1×10-7。
基于上述分析，可用近似線性化辦法進(jìn)行下列數(shù)據(jù)處理，以允許誤差量Y為實(shí)用顯示長(zhǎng)度單元ε，設(shè)式mε-fq≤Y(5)式中Y-允許誤差量(微米)ε-實(shí)用顯示長(zhǎng)度單元(微米)m-以ε為單元的脈沖訊號(hào)數(shù)q-溯源長(zhǎng)度單元，q＝λ0/8＝0.07910微米。
f-以q為單元的原始脈沖訊號(hào)數(shù)。
采用逐步近似法滿足(5)式，使誤差小于實(shí)用顯示長(zhǎng)度單元ε，即允許誤差量Y，(因ε＝Y(jié)，下面也稱允許誤差ε)。
有零級(jí)近似f0＝m＝f (6)一級(jí)近似則有f1＝f0+f0/c1(7)二級(jí)近似則有f2＝f1+f1/c2＝f0+f0/c1+f0/c2+f0/c1c2(8)三級(jí)近似則有f3＝f2+f2/c3＝f0+f1/c1+f0/c2+f0/c3+f0/c1c2+f0/c2c3+f0/c1c3+f0/c1c2c3(9)N級(jí)近似則有fn＝fn-1+fn-1/Cn＝f0+f0/c1+f0/c2+……+f0/cn+f0/c1cn+f0/c2cn+……(10)+f0/cn-1cn+……+f0/c1c2c3+f0/c1c2cn+……+f0/c1c2c3…cn需求解式中的近似修正系數(shù)C1、C2、C3……Cn，將(6)式代入(7)式，將(10)式代入(5)式，得f1＝m(1+1/c1) (11-1)c1≤q/(ε-q) (11-2)同理，可整理得f2＝m(1+1/c1)(1+1/c2) (12-1)C2= (q(1+1/c1))/(ε-q(1+1/c1)) (12-2)f3＝m(1+1/c1)(1+1/c2)(1+1/c3) (13-1)c3= (q(1+1/c1)(1+1/c2))/(ε-q(1+1/c1)(1+1/c2)) (13-2)
fn＝m(1+1/c1)(1+1/c2)……(1+1/cn-1) (14-1)cn= (q(1+1/c1)(1+1/c2)……(1+1/cn-1))/(ε-q(1+1/c1)……(1+1/cn-1)) (14-2)采用這一近似方法，其誤差不會(huì)超過ε，即不會(huì)超過設(shè)定的允許誤差值Y。
倘設(shè)定N級(jí)近似，則有fn+1-fn＝fn·1/Cn+1(15)即△f/fn＝1/cn+1(16)由此可見，N級(jí)近似的結(jié)果誤差小于｜1/Cn+1｜，即小于第(N+1)級(jí)修正系數(shù)的倒數(shù)。
當(dāng)Cn數(shù)改變一個(gè)單位量時(shí)，結(jié)果的誤差量為多少呢？對(duì)(14-1)式實(shí)行微分，dfn/dCn＝1/c2n(17)設(shè)dfN/fN-1＝dcN/cn2(18)利用(18)式，可求得當(dāng)Cn每改變一個(gè)單位量時(shí)，表示影響誤差結(jié)果程度的修正當(dāng)量系數(shù)E，E與實(shí)際測(cè)量的長(zhǎng)度值L的乘積就是長(zhǎng)度計(jì)量時(shí)的長(zhǎng)度修正當(dāng)量EL。
假如，設(shè)定允許誤差量Y為0.1微米，即實(shí)用顯示單元ε為0.1微米，則代入(14-2)式，可求得各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)C10、C20、C30、C40……，C10＝3 C20＝-19C30＝1232 C40＝-4.8×107……若設(shè)定三級(jí)近似(N＝3)，三級(jí)近似的結(jié)果誤差為被測(cè)長(zhǎng)度的｜1/C40｜，｜1/C40｜＝｜-1/(4.8×107)｜＝2.1×10-8(19)公式(19)說明，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下取三級(jí)近似運(yùn)算，結(jié)果誤差極小，例如測(cè)量一米長(zhǎng)度，其結(jié)果誤差近似為0.021微米。
根據(jù)公式(18)，當(dāng)取三級(jí)近似時(shí)，在量程L小于4.8×107×ε范圍內(nèi)每改變一個(gè)單位量，對(duì)最后修正結(jié)果的影響為6×10-7L，這一數(shù)值遠(yuǎn)小于各種材料的線性膨脹量及測(cè)量系統(tǒng)誤差量，所以，可以通過逐步改變C30數(shù)值的辦法來補(bǔ)償這些誤差量的影響，實(shí)現(xiàn)總體性的實(shí)時(shí)綜合修正。
本發(fā)明的實(shí)施方案是采用長(zhǎng)度基準(zhǔn)始終溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，如He-Ne激光發(fā)生器和以八分之一He-Ne激光波長(zhǎng)值為單元，分別取其80、100、1000倍或其他需要的整數(shù)倍值而刻制的模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器;不使用傳感器，通過對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器直接標(biāo)定的方法來求得實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckp，一并綜合修正由于溫度、氣壓、濕度等環(huán)境因素對(duì)He-Ne激光波長(zhǎng)的影響，環(huán)境溫度對(duì)模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器載體和被測(cè)工件的線膨脹量的影響，以及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差所造成的綜合誤差，直接測(cè)定和顯示被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值。
具體步驟為設(shè)定N級(jí)近似(一般三級(jí)近似已能保證相當(dāng)高的精度)，設(shè)定允許誤差Y＝ε和長(zhǎng)度單元q，求得標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)Cko和Cko每改變一個(gè)單位量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)E0;在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下，對(duì)一定量程的長(zhǎng)度基準(zhǔn)器進(jìn)行直接標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)先預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)Cko，測(cè)得相應(yīng)的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器之實(shí)測(cè)長(zhǎng)度Lp，求得其與標(biāo)定值L的偏離量△L;再用△L除以標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)Eo與L的乘積值，得到綜合修正補(bǔ)充系數(shù)W，Cko加上W即為逼近實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckb;再置定Ckb，依上法求得新的偏離量△L，同時(shí)取得Ckb每改變一個(gè)單位量時(shí)的逼近修正當(dāng)量系數(shù)Eb，用△L除以Eb與L的乘積值，得到逼近綜合修正補(bǔ)充系數(shù)Wb，令Ckb加上Wb得到新的Ckb，求得新一輪偏離量△L……，如此循環(huán)逼近，直至△L趨近于零，則相應(yīng)的Ckb即可視為真實(shí)的實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckp。
不難看出，Ckp已兼顧了環(huán)境空氣因素對(duì)He-Ne激光波長(zhǎng)的影響和環(huán)境溫度對(duì)模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵載體和被測(cè)工件的線膨脹量的影響，以及測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)誤差等綜合誤差的修正。
在實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)度基準(zhǔn)器可直接采用He-Ne激光發(fā)生器，設(shè)定ε為0.1微米，q為八分之一λ0值，即0.0791微米，用以制作測(cè)量范圍為零至4.8米的直接式精密激光端度計(jì)量?jī)x，如立式或臥式的測(cè)長(zhǎng)儀，孔徑測(cè)量?jī)x、座標(biāo)測(cè)量?jī)x、大尺寸標(biāo)準(zhǔn)尺類等等。
另一實(shí)際應(yīng)用是同樣采用He-Ne激光發(fā)生器直接作長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，設(shè)定ε為0.01微米，q取八十分之一λ0值，即0.00791微米，主要用來制作測(cè)量范圍為零至480毫米的高精度直接式激光量塊檢查儀。
實(shí)際應(yīng)用的又一方面是主要用于制作測(cè)量范圍為零至4.8米的精密端度計(jì)量?jī)x器和長(zhǎng)度檢測(cè)與控制設(shè)備，其采用直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵作長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，柵距一般取λ0的10倍值，約為6.328微米，ε為0.1微米。
還有一種實(shí)際應(yīng)用方法，同樣采用直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵作長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，柵距A取λ0的12.5倍值，約為7.910微米，ε為1微米，主要用于制作測(cè)量范圍在零至48米的在線長(zhǎng)度檢測(cè)與控制設(shè)備。
可以直接溯源于He＝Ne激光波長(zhǎng)的感應(yīng)同步器為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，其間距分別取12.5λ0值(7.910微米)或125λ0值(79.10微米)，ε相應(yīng)分別為1或10微米，可用于制造測(cè)量范圍分別為零至48米或零至480米的數(shù)控機(jī)床或設(shè)備行程控制用的感應(yīng)同步器數(shù)字顯示表等等。
為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)時(shí)綜合修正方法的一種裝置，主要由長(zhǎng)度基準(zhǔn)訊號(hào)變換系統(tǒng)Ⅰ、實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ、終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ組成，取三級(jí)近似(N＝3)，具體結(jié)構(gòu)參見附圖
一。長(zhǎng)度基準(zhǔn)訊號(hào)變換系統(tǒng)Ⅰ有包含長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，例如直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的激光干涉儀、光柵讀數(shù)頭、感應(yīng)同步器裝置之類的位移傳感器1，四相訊號(hào)接收轉(zhuǎn)換器2，運(yùn)算放大器3，舒密特整形器4，倍頻器5和主要由模擬訊號(hào)發(fā)生器構(gòu)成的調(diào)試檢測(cè)器6組成;實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由四進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的一級(jí)近似器7，與運(yùn)算器8，六進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的二級(jí)近似器9，或運(yùn)算器10，四只十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的三級(jí)近似器11，四位十進(jìn)制撥碼盤12，譯出器13，取數(shù)器14，總輸出器15和循環(huán)計(jì)數(shù)復(fù)位控制器16組成;終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ由顯示記錄器17或再加上終端數(shù)據(jù)處理記錄器18組成。
裝置對(duì)一定量程的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器，如標(biāo)準(zhǔn)量塊進(jìn)行直接標(biāo)定，以按照前述方法獲得實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckp。
位移傳感器1測(cè)定的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器的長(zhǎng)度訊號(hào)為四相訊號(hào)接收轉(zhuǎn)換器2所接收轉(zhuǎn)換成四相正弦波訊號(hào)，送入運(yùn)算放大器3放大，再經(jīng)舒密特放大器4整形，接著送入倍頻器5實(shí)行電子細(xì)分后輸出長(zhǎng)度單元訊號(hào)f，調(diào)試檢測(cè)器6可產(chǎn)生模擬測(cè)量訊號(hào)對(duì)裝置系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)。
一級(jí)近似器7對(duì)來自倍頻器5的訊號(hào)f計(jì)數(shù)，產(chǎn)生1/4f訊號(hào)，與運(yùn)算器8對(duì)自倍頻器5的f訊號(hào)和來自一級(jí)近似器7的1/4f訊號(hào)實(shí)現(xiàn)f-1/4f＝3/4f訊號(hào)的與運(yùn)算，二級(jí)近似器9對(duì)來自一級(jí)近似器7的1/4f訊號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生1/24f訊號(hào)，或運(yùn)算器10對(duì)來自二級(jí)近似器的1/24f訊號(hào)和來自與運(yùn)算器8的3/4f訊號(hào)實(shí)現(xiàn)1/24f+3/4f＝19/24f訊號(hào)的加運(yùn)算，三級(jí)近似器11對(duì)此19/24f訊號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在撥碼盤12上預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)修正系數(shù)C30數(shù)，C30數(shù)經(jīng)譯出器13譯出，并與來自或運(yùn)算器10的19/24f在取數(shù)器14的與非門中相與，取出C30加1單位量的邏輯修正系數(shù)C′30，C′30一路輸送至循環(huán)復(fù)位控制器16，控制三級(jí)近似器11復(fù)位，C130另一路輸入總輸出器15的與非門中，和二級(jí)近似器輸送的19/24f相與，實(shí)現(xiàn)(19/24f-1/C′30)的與運(yùn)算取得總輸出脈沖值m，m＝(f-1/4f)+1/24f-1/C′30f＝19/24f-1/C′30f;隨之將信息和結(jié)果送至顯示記錄器17或終端數(shù)據(jù)處理器18，得出實(shí)測(cè)長(zhǎng)度Lp;進(jìn)而將標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度L減去實(shí)測(cè)長(zhǎng)度值Lp得到偏離量△L，再將△L除以標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)E0和L的乘積，得到綜合修正補(bǔ)充系數(shù)W，令C30加上W即成逼近實(shí)時(shí)綜合系數(shù)C3b;再在撥碼盤12上置定C3b值;重復(fù)對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器直接測(cè)量，如此循環(huán)往復(fù)，直至△L趨近于0，則此時(shí)相應(yīng)的C′3b值即為實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)C3p，確定了C3p值后，在同一實(shí)時(shí)條件下，在直接標(biāo)定的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器最大量程內(nèi)，可用該裝置即時(shí)測(cè)出任意長(zhǎng)度的被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值。
可根據(jù)需要設(shè)定允許誤差ε和長(zhǎng)度單元q值。如設(shè)定ε＝0.1微米，q取1/8λ，約0.07910微米。
本裝置還可用于現(xiàn)有以計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器的長(zhǎng)度計(jì)量與控制裝置的改裝，只須將本發(fā)明中始終直接溯源於He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器取代原有的整數(shù)米制單位園整分格的計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器，同時(shí)加裝本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)綜合修正裝置即可改裝成實(shí)時(shí)綜合修正長(zhǎng)度計(jì)量與控制設(shè)備。
本發(fā)明創(chuàng)造性地提出了實(shí)時(shí)綜合修正方法及其裝置，為精密長(zhǎng)度測(cè)量與控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步提供了有效的手段。與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的量塊比較法相比，本發(fā)明具有應(yīng)用廣，精度高，操作簡(jiǎn)便，技術(shù)先進(jìn)，效率提高，成本降低等一系列積極效果。與世界上以溫度、氣壓傳感器采樣，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理來補(bǔ)償因環(huán)境條件偏離而產(chǎn)生誤差的傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明具有不需要使用傳感器，長(zhǎng)度基準(zhǔn)始終直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)，環(huán)境條件要求低，計(jì)量精度高，可以制作大尺寸的高精度計(jì)量光柵與感應(yīng)同步器，為大量程長(zhǎng)度或行程測(cè)量和控制技術(shù)提供了有效的工具，而且具有成本代價(jià)小，經(jīng)濟(jì)效益大等一系列顯著效果，能積極推動(dòng)長(zhǎng)度基準(zhǔn)傳遞，位移控制與精密測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步。
權(quán)利要求
1.一種以He-Ne激光波長(zhǎng)或模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵、感應(yīng)同步器為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，主要用于長(zhǎng)度基準(zhǔn)傳遞、位移控制和精密測(cè)量過程中計(jì)量誤差的修正方法，其特征在于，長(zhǎng)度基準(zhǔn)始終符合溯源原則，采取不使用傳感器而只通過長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器直接標(biāo)定的方法求得實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckp，一并綜合修正溫度、氣壓、濕度等環(huán)境因素對(duì)He-Ne激光波長(zhǎng)的影響、環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器載體與被測(cè)工件的線膨脹量的影響以及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，直接測(cè)定與顯示被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值；其具體步驟如下a.長(zhǎng)度基準(zhǔn)器采用He-Ne激光波長(zhǎng)，或長(zhǎng)度單元直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器，以八分之一He-Ne激光波長(zhǎng)值為單元，分別取其80、100、1000倍或其他需要的整數(shù)倍值刻制計(jì)量光柵和感應(yīng)同步器，使其始終溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)，b.設(shè)定N級(jí)近似，設(shè)定允許誤差Y=ε，長(zhǎng)度單元q，取得標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)Ck，和每改變Ck一個(gè)單位量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)E0，c.在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下，對(duì)本測(cè)量系統(tǒng)中最大量程的長(zhǎng)度基準(zhǔn)器進(jìn)行直接標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)先預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)修正系數(shù)Ck，測(cè)得相應(yīng)的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器之實(shí)測(cè)長(zhǎng)度Lp與標(biāo)定值L的偏離量△L；再用△L除以標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)E0與L的乘積，得到綜合修正補(bǔ)充系數(shù)W，Ck加上W即為逼近實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckb，再置定Ckb，求得新的偏離量△L，同時(shí)取得Ckb每改變一個(gè)單位量時(shí)的逼近修正當(dāng)量系數(shù)Eb，用△L除以Eb與L的乘積值，得到逼近綜合修正補(bǔ)充系數(shù)Wb，令Ckb加上Wb得到新的Ckb，求得新一輪偏離量△L……，如此循環(huán)逼近，直到△L趨近于零，則相應(yīng)的Ckb即可視為真實(shí)的實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckb，d.置定Ckp，即可在測(cè)量系統(tǒng)上直接測(cè)出和顯示同一實(shí)時(shí)條倫畬罅砍棠諶我獬ざ鵲謀徊夤ぜ謀曜汲ざ戎怠
2.如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于長(zhǎng)度基準(zhǔn)器采用He-Ne激光發(fā)生器，ε為0.1微米，q取八分之一標(biāo)準(zhǔn)He-Ne激光波長(zhǎng)λ0，約為0.0791微米，用于制作測(cè)量范圍為零至4.8米的直接式精密激光端度計(jì)量?jī)x，如立式或臥式的測(cè)長(zhǎng)儀、孔徑測(cè)量?jī)x、座標(biāo)測(cè)量?jī)x，大尺寸標(biāo)準(zhǔn)尺類等。
3.如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于長(zhǎng)度基準(zhǔn)器采用He-Ne激光發(fā)生器，ε為0.01微米，q取值的八十分之一，為0.00791微米，主要用于制作測(cè)量范圍為零至480毫米的高精度直接式激光量塊檢查儀。
4.如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于長(zhǎng)度基準(zhǔn)器用直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵，柵距A取λ0的10倍值，約為6.328微米，ε為0.1微米，用于制作測(cè)量范圍在零至4.8米的精密端度計(jì)量?jī)x器和長(zhǎng)度檢測(cè)、控制設(shè)備。
5.如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于長(zhǎng)度基準(zhǔn)器用直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵，柵距A取λ0值的12.5倍值，為7.910微米，ε為1微米，主要用于制作測(cè)量范圍在零至48米的在線長(zhǎng)度檢測(cè)和控制設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的修正方法，其特征在于長(zhǎng)度基準(zhǔn)器用直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的感應(yīng)同步器，其間距h分別取值的12.5倍值，為7.910微米或125倍值，為79.10微米，ε相應(yīng)分別為1或10微米，可用于制造測(cè)量范圍分別為零至48米或零至480米的數(shù)控機(jī)床行程控制用的感應(yīng)同步器數(shù)字顯示表。
7.實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的修正方法的一種裝置，其特征在于由長(zhǎng)度基準(zhǔn)訊號(hào)變換系統(tǒng)Ⅰ、實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ，終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ組成，取三級(jí)近似(N＝3)，求得三級(jí)近似標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)修正系數(shù)C30，a.長(zhǎng)度基準(zhǔn)訊號(hào)變換系統(tǒng)Ⅰ包含長(zhǎng)度基準(zhǔn)器，如激光干涉儀，光柵讀數(shù)頭，感應(yīng)同步器裝置之類位移傳感器1、四相訊號(hào)接收轉(zhuǎn)換器2、運(yùn)算放大器3、舒密特整形器4、倍頻器5和主要由模擬訊號(hào)發(fā)生器構(gòu)成的調(diào)試檢測(cè)器6組成，b.實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Ⅱ由四進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的一級(jí)近似器7、與運(yùn)算器8、六進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的二級(jí)近似器9、或運(yùn)算器10，四只十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成的三級(jí)近似器11，四位十進(jìn)制撥碼盤12、譯出器13、取數(shù)器14、總輸出器15和循環(huán)計(jì)數(shù)復(fù)位控制器16組成，終端顯示記錄控制系統(tǒng)Ⅲ由顯示記錄器17或再加上終端數(shù)據(jù)記錄器18組成，獲得實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)Ckp過程如下裝置對(duì)最大量程的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行直接標(biāo)定，位移傳感器1測(cè)定的長(zhǎng)度訊號(hào)為四相訊號(hào)接收轉(zhuǎn)換器2所接收轉(zhuǎn)換成四相正弦波訊號(hào)，送入運(yùn)算放大器3放大，再經(jīng)舒密特整形器4整形，接著送入倍頻器5實(shí)行電子細(xì)分后輸出長(zhǎng)度單元訊號(hào)f，調(diào)試檢測(cè)器6可產(chǎn)生模擬測(cè)量訊號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與檢測(cè)，一級(jí)近似器7對(duì)f計(jì)數(shù)，產(chǎn)生 1/4 f訊號(hào)，與運(yùn)算器8對(duì) 1/4 f訊號(hào)和f訊號(hào)實(shí)現(xiàn)f- 1/4 f＝ 3/4 訊號(hào)的與運(yùn)算，二級(jí)近似器9對(duì) 1/4 f訊號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生 1/24 f訊號(hào)，或運(yùn)算器10實(shí)現(xiàn) 1/24 f+ 3/4 f＝ 19/24 f訊號(hào)的加運(yùn)算，三級(jí)近似器11對(duì) 19/24 f訊號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在撥碼盤12上預(yù)置C30數(shù)，C30數(shù)經(jīng)譯出器13譯出，并與 19/24 f訊號(hào)在取數(shù)器14的與非門中相與，取出C30加1單位量的邏輯修正系數(shù)C130，C130一路輸送至循環(huán)復(fù)位控制器16，控制三級(jí)近似器11復(fù)位，C130另一路輸入總輸出器15的與非門中和二級(jí)近似器輸送的 19/24 f相與，實(shí)現(xiàn) 19/24 f與 1/(C'30) f的與運(yùn)算取得總輸出脈沖值m，m＝(f- 1/4 f)+ 1/24 f- 1/(C'30) f，進(jìn)入顯示記錄器17或終端數(shù)據(jù)處理器18，得出實(shí)測(cè)自度Lp，將標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值L減去實(shí)測(cè)長(zhǎng)度值Ip得到偏離量△L，再將△L除以標(biāo)準(zhǔn)修正當(dāng)量系數(shù)E0與L的乘積值，得到綜合修正補(bǔ)充系數(shù)W，肅30加上W即成逼近實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)C3b，再在撥碼盤12上置定C3b值;重復(fù)對(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器直接測(cè)量，如此循環(huán)往復(fù)，直至△L趨近于0，則相應(yīng)的C13b值即為實(shí)時(shí)綜合修正系數(shù)C3p。在同一實(shí)時(shí)條件下，在用此標(biāo)定的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器最大量程內(nèi)，可用該測(cè)長(zhǎng)裝置即時(shí)測(cè)出任意長(zhǎng)度的被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于允許誤差ε為0.1微米，長(zhǎng)度單元q取八分之一He-Ne激光波長(zhǎng)值，q為0.7910微米，
9.如權(quán)利要求7、8所述的裝置，其特征在于可加裝于現(xiàn)有以模擬He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器為長(zhǎng)度基準(zhǔn)器的長(zhǎng)度測(cè)量和控制裝置，將本發(fā)明始終直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)的計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器取代原有計(jì)量光柵或感應(yīng)同步器，即可對(duì)被測(cè)工作進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合修正。
全文摘要
本發(fā)明屬于計(jì)量技術(shù)與控制技術(shù)領(lǐng)域，是一種對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量和位移控制時(shí)的He-Ne激光波長(zhǎng)類長(zhǎng)度基準(zhǔn)器及其測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)以及被測(cè)工件的各實(shí)時(shí)影響因素進(jìn)行不用傳感器采樣的總體性綜合修正的方法及實(shí)現(xiàn)這一方法的裝置。主要由長(zhǎng)度基準(zhǔn)訊號(hào)交換系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，終端顯示記錄控制系統(tǒng)組成，其始終直接溯源于He-Ne激光波長(zhǎng)，能即時(shí)直接測(cè)量和顯示被測(cè)工件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值。具有量程大、精度高、成本低等系列積極效果。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1036075SQ88101568
公開日1989年10月4日 申請(qǐng)日期1988年3月22日 優(yōu)先權(quán)日1988年3月22日
發(fā)明者張學(xué)能, 劉洪圖 申請(qǐng)人:上海第二光學(xué)儀器廠