基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法

　　1　引　言

　　高速高精度位移测量技术在面向集成电路(IC)封装和微机电系统(MEMS)制造等领域有着广泛的应用[126]。位移测量的高速和高精度是两个相互制约的指标,其中,作为位移测量装置的传感器是限制高速与高精度共存的重要环节。例如,作为位移传感器的单个光栅尺的分辨率可达到纳米级,但由于受信号检测的扫描频率限制,单个光栅尺检测的最大允许速度往往与其测量分辨率成反比,要想实现纳米级位移的精密测量,系统运动速度会受到光栅位移传感器测量极限速度的限制(一般<200 mm/s);要实现对高速度运动的系统进行位移测量,测量步距又受到光栅位移传感器分辨率的限制(一般>0.5μm)。可见,单个光栅位移传感器同时满足高速和高精度的位移测量是十分困难的。解决高速高精度位移测量的办法一般只能从提高位移传感器的性能着手,这种方法需要高密度的标尺刻线、复杂的光电扫描系统、高精度的电子元器件,实现起来比较困难。目前,大多数光栅尺测量技术集中在提高单个光栅尺的测量精度及分辨率的研究[729],文献[10]提出一种高分辨率、高频响的光栅纳米测量细分方法-动态跟踪细分法,得到在5 nm分辨率测量时,100 kHz的频响速度,但测量允许速度仅为0.5mm/s,仍无法提高测量的允许速度。

　　本文提出一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。通过对光栅尺测量原理和切换误差的分析,研究双光栅尺信号切换合成及减小切换合成误差的方法。采用可编程逻辑器件FPGA设计信号处理电路,电路的逻辑、时序仿真和实验研究验证了本方法的有效性。本方法的研究成果可满足新一代运动定位系统对高速高精度的要求,在IC封装、超精密加工等领域应用具有显著价值。

　　2　光栅尺测量原理

　　光栅尺测量的基本原理为:标尺与扫描掩模之间的相对移动,在光源照射下形成莫尔条纹,莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号,就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法,得到不同测量步距的计数脉冲信号,脉冲信号一般是两路正交的信号,这两路信号接入后续的可逆计数电路,计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。

　　光栅尺测量的最大允许移动速度是由光栅尺的输出频率及光栅扫描信号的信号周期决定的,它们有如下关系:

　　式中,Vmax为光栅尺最大允许移动速度,单位:mm/s;fmax为光栅尺最大输出频率,单位:kHz;sp为光栅信号的信号周期,单位:μm。

　　由式(1),在光栅信号的信号周期不变的前提下,Vmax与光栅尺输出频率成正比。测量步距对应着分辨率,若提高电子细分电路的细分倍频数,则分辨率提高(测量步距减小),由于受到电子细分电路的响应频率及后续计数电路的输入频率的限制,随着细分倍数的提高,光栅尺的输出频率下降,则测量的最大允许速度下降,所以光栅尺的测量步距与测量的最大允许移动速度Vmax成反比。