[发明专利]平面光栅六自由度位移测量系统中误差分离与补偿方法

说明书

平面光栅六自由度位移测量系统中误差分离与补偿方法，所述方法是在无需借助其他位移传感器的情况下，利用附加读数头实现平面光栅六自由度位移测量系统中各参数与其标称值之间误差的分离与补偿。在原位移测量系统的基础上增加至少一个附加读数头；建立包含六自由度位移与待分离误差的测量模型；通过测量多个位置点的信号建立方程组，方程组中方程个数应等于或多于位移未知量和待分离误差未知量的个数；通过此方程组解算出位移未知量和待分离误差未知量；将待分离误差的解算结果作为已知量代入测量模型中，得到补偿后的六自由度位移测量模型。

技术领域

本发明涉及一种平面光栅六自由度位移测量系统中误差分离与补偿方法，适用于精密运动台中平面光栅六自由度位移测量系统中平面光栅与读数头的安装位置和加工尺寸等各参数与其标称值之间误差的分离与补偿。

背景技术

平面光栅干涉仪作为一种典型的光学式位移传感器，具有测量精度高、动态性能好、抗干扰能力强、非接触测量等诸多优点，在机电设备中得到广泛应用。近年来随着光栅制造技术、光电技术、电子细分技术等相关技术的快速发展，平面光栅测量系统已经可以达到亚纳米级的测量精度和分辨率，在超精密运动台位移测量方面展现出广阔的应用前景。

典型的平面光栅测量系统由平面光栅和读数头两部分组成，安装在读数头中的激光源发出激光，经过读数头中特殊设计的光路后入射至平面光栅并发生衍射，衍射光返回至读数头中的光电探测器，经过信号处理后得到衍射光的相位变化信号。根据多普勒原理及平面光栅的衍射方程，衍射光相位变化可表示为：

式中，为(a,b)级衍射光的相位变化，p_x、p_y分别为平面光栅X、Y方向的栅距，λ为入射光波长，Δx’、Δy’、Δz’分别为读数头在光栅坐标系中沿X、Y、Z方向的平动位移，θ_in为入射光与Z轴方向的夹角，θ_(m,n)为(m,n)级衍射光与Z轴方向的夹角。由于安装工艺和加工工艺的限制以及环境因素的影响，平面光栅测量系统中的各项参数如平面光栅的栅距与安装位置、读数头的尺寸与安装位置、激光波长等均与其对应的标称值之间存在一定偏差。由平面光栅测量系统的测量原理方程可知，平面光栅的栅距与激光波长直接影响衍射光的相位变化，而读数头的尺寸与安装位置等参数则直接影响读数头相对于平面光栅的位移Δx’、Δy’、Δz’和入射光、衍射光与Z轴方向的夹角θ_in、θ_(m,n)，从而对最终的测量结果造成影响。在纳米级乃至亚纳米级测量精度下，由这些误差带来的影响不能忽略。现有方法通常以其他辅助传感器的测量结果作为基准，采集一系列点的误差后利用建立误差表、数值分析法、遗传算法、神经网络算法、小波网络算法、衍射波面分析法等方法对整体的系统误差进行标定并补偿。然而由于测量原理的限制这些辅助传感器难以达到平面光栅的测量精度，因此以这些辅助传感器的测量结果作为基准无法准确分离出平面光栅测量系统中的误差。朱煜、胡金春等针对多轴激光干涉仪三自由度位移测量系统中的测量轴安装偏差标定问题提出了一种多轴激光位移测量系统中干涉仪的安装偏差标定方法，在激光干涉仪三自由度位移测量的条件下，该方法中的建模和方程解算均为线性问题，在平面光栅测量系统且运动范围扩展至六自由度时，测量模型和方程将不再是线性，该方法也不再适用。

发明内容

本发明的目的在于针对平面光栅测量系统中误差难以分离并补偿的问题，提出一种通过增加附加读数头实现平面光栅六自由度位移测量系统中误差分离与补偿的方法。

本发明的技术方案如下：

一种平面光栅六自由度位移测量系统中误差分离与补偿方法，所述的平面光栅六自由度位移测量系统包括运动台、安装在固定机架的平面光栅、安装在运动台上的第一测量读数头、第二测量读数头和第三测量读数头，其特征在于所述方法包含以下步骤：