二维衍射光栅系统的误差分析及精度保证.pdf
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1、二维衍射光栅系统的误差分析及精度保证 摘要 二维光栅测量系统是在一维衍射光栅测量技术的基础上发展起来的,集成 了干涉测量的高精度与光栅测量的抗干扰特点,并且易于实现微型化结构,在 高精度测量中有着重要的意义。 根据二维光栅系统的结构和工作原理,影响系统精度的误差主要来源于光 路、电路和环境三个方面,其中激光光源误差、光栅刻划的累积误差、导轨直 线度误差以及温度误差是影响系统精度的主要误差源。在此基础上,提出了相 应的精度保证措施:采用共平面设计,使二维光栅面与二维导轨运动面重合, 最大程度地减小导轨直线度引起的垂直面上的阿贝误差;采用分布反馈式激光 二极管作为光源,抑制温度变化的跳模现象,减小
2、激光光源误差;采用偏振干 涉方法,使光束产生1 2 的相位差,减小轴向定位误差的影响。 除了从硬件上提高系统精度之外,还提出通过误差修正技术进一步减小误 差对测量精度的影响。首先确定误差修正对象,根据其传递关系建立误差修正 模型;然后设计各项误差的分离方案,将两维测量平面分割成一个个网格,测 试各网格节点的两维误差值。 采用三次样条函数对所测得的误差点进行拟合,得到完整的误差曲面,应 用M A T L A B 软件仿真出误差曲面图形,并由此进行插值计算,确定两维平面 上任意点的误差,代入误差模型实现误差修正。 关键词:二维光栅 误差分析 误差修正曲面拟合 E r r o ra n a l y
3、s i sa n d a c c u r a c yg u a r a n t yf o r2 - Dd i f f r a c t i o n g r a t i n gs y s t e m A b s t r a c t 2 一D g r a t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m i S d e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h e1 一D d i f f r a c t i o n g r a t i n g m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s I th
4、a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h a c c u r a c yo fi n t e r f e r o m e t e rm e a s u r e m e n ta n da n t i - j a m m i n go ft h eg r a t i n ga n d i Se a s yt oa c h i e v em i n i a t u r i z a t i o no fs t r u c t u r e w h i c hi So fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h
5、e h i g h - a c c u r a c ym e a s u r e m e n t A c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e2 一Dg r a t i n gs y s t e m e r r o r st h a ta f f e c tt h es y s t e ma c c u r a c ya r em a i n l yf r o mt h r e ea s p e c t s :t h eo p t i c a l p a t h c i
6、 r c u i ta n dt h ee n v i r o n m e n t T h e1 a s e rl i g h ts o u r c ee r r o r t h ec u m u l a t i v ee r r o r o ft h eg r a t i n gi np o r t r a y i n ga n dt h et e m p e r a t u r ee r r o ra r et h em a i ne r r o r sa f f e c t i n g t h es y s t e ma c c u r a c y 0 nt h i sb a s i s
7、 ,t h ea c c u r a c ya s s u r a n c em e a s u r e sh a v eb e e np r o p o s e d C o p l a n a r d e s i g n i s a d o p t e d t om a k et h et w o d i m e n s i o n a l g r a t i n g s u r f a c ea n dt h e t w o d i m e n s i o n a ls t i r f a c e so fr a i lm o v e m e n tc o i n c i d ew i t
8、 he a c h o t h e r w h i c hc a n m i n i m i z et h eA b b ee r r o ro ft h ev e r t i c a ls u r f a c eo ft h eg u i d e1 i n e T h ei u m pm o d e p h e n o m e n o nc a u s e db yt h et e m p e r a t u r ec h a n g ew a s i n h i b i t e da n dL a s e rl ig h ts o u r c e e r r o ri Sr e d u c
9、 e db yu s i n gt h ed i s t r i b u t e df e e d b a c k1 a s e rd i o d ea sal a s e rl i g h ts o u r c e T h ei n f l u e n c eo ft h ea x i a lp o s i t i o n i n ge r r o r si Sr e d u c e dw i t ht h em e t h o do f p o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e w h i c hc a np r o d u c eap
10、h a s ed i f f e r e n c eo f 丌2 I na d d i t i o nt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mf r o mt h eh a r d w a r e ,e r r o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi S p u t f o r w a r dt or e d u c et h e i m p a c to fe r r o r s o nt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y F
11、i r s t t h ee r r o rc o r r e c t i o no b je c ti Sd e t e r m i n e da n dt h ee r r o r c o r r e c t i o nm o d e li Se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h et r a n s i t i v er e l a t i o n T h e n ,t h e s e p a r a t i o np r o g r a m so fe r r o r sa r ed e s i g n e d L a s t t h
12、 e2 - Dm e a s u r e m e n tp l a n e i s d i v i d e di n t oag r i da n dt h e2 一De r r o rv a l u e sf o re a c hg r i dn o d ea r eo b t a i n e d T h em e a s u r e de r r o rp o i n t sa r ef i t t e dw i t ht h ec u b i cs p l i n ef u n c t i o na n dt h e e r r o rs u r f a c ei ss i m u l
13、a t e du s i n gM A T L A BS O f t w a r e E r r o r sa ta n yp o i n ti nt h e t w o d i m e n s i o n a lp l a n ea r ec a l c u l a t e db yi n t e r p o l a t i o na n de r r o rc o r r e c t i o nc a nb e r e a l i z e d K e y w o r d s :2 - Dg r a t i n g ,E r r o rA n a l y s i s ,E r r o rC
14、o r r e c t i o n ,S u r f a c ef i t t i n g 4 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中,自始至终得 到了我的导师陈晓怀教授的悉心指导,无论从课程学习、论文选题,还是到收 集资料、论文成稿,都倾注了陈晓怀老师的心血,由衷的感谢陈晓怀老师在学 业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情 操。在此,向尊敬的陈老师表示衷心的感谢和最诚挚的敬意。 另外感谢程真英老师对我读研期间的帮助和科研上热忱的指导,使我的小 论文在陈晓怀老师和程真英老师的精心指导下得以发表。感谢夏豪杰老师对我 的课题的帮助和指导。 感谢科技楼
15、4 0 6 实验室的兄弟姐妹们,感谢杜国山、陈小吴、杨剑、郭鲁 皓、魏晋鹏、吴健、龚开坤、李高峰、陈贺等同学的支持与帮助,在我的学习、 科研和生活中,在读研期间,给予我很多启发和帮助,使我研究生期间的生活 充满了乐趣,在此表示深深的感谢。 感谢我的家人对我的支持和理解,并感谢一切曾帮助我、支持我的人,由 衷的感谢大家! 作者:陈晓峰 2 0 l2 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 二维光栅系统概述1 1 2 二维光栅系统发展现状2 1 2 1 二维光栅2 1 2 2 光栅位移测量技术一2 1 2 3 国内外发展现状3 1 3 课题研究来源、目的及内容3 1 3 2 课题研究目的3 1 3
16、3 课题研究内容一4 第二章二维光栅系统的系统原理5 2 1 二维光栅系统的总体结构5 2 2 二维光栅系统的工作原理5 2 2 1 二维光栅面的设计5 2 2 2 二维光栅位移测量一6 2 2 2 二维光栅光电信号设计7 2 2 3 二维光栅检测系统设计1 1 2 2 4 二维光栅电路设计1 3 第三章二维光栅系统的误差分析1 6 3 1 二维光栅系统的误差源分析1 6 3 1 1 二维光栅系统的误差分类1 6 3 1 2 二维光栅系统的误差源分析1 7 3 2 系统主要误差源分析1 8 3 2 1 光源误差18 3 2 2 二维光栅误差2 0 3 2 3 光路结构误差2 3 3 2 4 电
17、路误差2 5 3 3 减小系统的误差的方法2 7 3 3 1 减小光源误差源影响2 7 3 3 2 减小光栅误差影响2 8 3 3 3 减小光电结构影响2 9 3 3 4 减小环境误差影响3 0 第四章二维光栅系统的误差修正3 2 4 1 二维光栅系统的误差建模3 2 4 1 1 系统测量的误差分析3 2 4 1 2 系统测量的误差模型3 3 4 2 系统误差分离3 3 4 2 1 误差分离原理3 3 4 2 2 误差分离方案3 4 4 3 系统的误差修正一3 7 4 3 1 三次样条函数3 7 4 3 2 双三次样条插值的M A T L A B 实现3 8 4 3 3 系统误差修正4 0 第
18、五章总结与展望4 4 5 1 工作总结4 4 5 2 展望4 4 参考文献4 6 攻读硕士学位期间发表的论文4 8 7 插图目录 图卜1 莫尔条纹形成原理3 图2 1 光栅测量系统的结构示意图5 图2 2 二维光栅结构示意图一6 图2 3 二维光栅衍射测量光束分布图6 图2 4 光栅测量系统结构框图8 图2 5 光伏模式和光导模式1 2 图2 6 光电转换的放大电路1 2 图2 7 光电转换电路原理图1 3 图3 1 二维光栅系统的误差源1 7 图3 2 衍射角引起的误差2 3 图3 3 二维光栅X 、Y 轴定位误差2 4 图3 4 细分误差分析2 7 图3 5 光栅刻线严重缺陷或污点对测量信
19、号的影响缺陷2 9 图3 6 二维光栅位移测量原理2 9 图3 7 基于F P G A 的高倍细分板3 0 图4 1 被测工件在二维光栅面上的测量及导轨俯仰形成误差3 3 图4 2 干涉仪测量二维光栅测量面的示意图3 4 图4 3 两干涉仪测量二维光栅面各个点的误差3 5 图4 4 自准直仪的测量原理3 6 图4 5 德国S I O S 三光束微型激光干涉仪3 6 图4 6M A T L A B 运行窗口和M 文件编辑窗口3 8 图4 7 一维三次样条插值3 9 图4 8 双三次样条插值拟合的曲面模型一4 0 图4 9 示值误差在X 、Y 轴方向的误差值4 1 图4 一1 0 角度误差在X 、
20、y 轴方向的误差值一4 2 第一章绪论 1 1 二维光栅系统概述 随着科技的不断进步和生产的飞速发展,精密测量技术的需求在各行各业 的发展中占有的比重愈来愈重要,纳米测量、M E M S 、微电子、新材料、新工 艺等技术的发展给人们带来了巨大的便利,给人类的生活注入了新的活力。精 密测量技术的研究和精密测量仪器的发展为科学技术的发展提供了坚实的基 础,现代科学技术的飞速发展,展现出更多的新兴领域,测量的级别越来越高, 已经深入到纳米甚至更高的量级,加工工业中对产品的加工需求越来越高,这 些技术领域的发展和提高都必须依靠精密测量技术。 对产品的精密加工和精密测量都必须提供精密的加工和测量的工作台
21、,一 个精密的测量系统对精密测量技术的研究有着重要意义。现代精密测量理论的 发展,越来越多的精密测量系统出现在人们的生产生活中,三坐标测量机、激 光干涉仪、光栅测量机等精密测量系统在精密测量过程中起着至关重要的作用。 在精密测量工业生产实践中,对微位移特别是二维微位移的测量需要,二 维测量系统的研究发展及出现将越来越迫切,如今出现在大家生产生活中的高 精度测量仪器,主要有三坐标测量机,激光干涉仪,电容、电感传感器,X 射 线干涉仪等等,这些仪器在二维的测量应用中都被实践检验,都存在一定的优 缺点。 三坐标测量机按结构方式分,可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂 式、立柱式等测量机。三坐标测量
22、机在实践测量中有了很多的应用,在测量检 测中,它的稳定性很高,测量方便,操作简单快速,但是三坐标测量机价格较 高,仪器的体积较大,不易于移动,对环境要求较高等造成了其使用的局限性。 激光干涉仪是精密测量中使用非常广泛的精密测量仪器,激光干涉测量是 位移测量的常用方法。激光干涉仪可分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。 迈克尔逊干涉仪是常用的单频激光干涉仪,它是基于迈克尔逊干涉原理的测量 仪器,利用分振幅法产生双光束以实现干涉。迈克尔逊干涉仪测量的精度较高, 但其抗外界干扰因素的能力较差,外界环境的变化会使干涉仪产生很大偏差, 就必须重新调整干涉仪参数如触发电平值。所有迈克尔逊干涉仪一般在恒温、
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