解决计量光栅仪器特殊误差的方法

　　引　　言

　　利用计量光栅衍射产生莫尔条纹进行精密测量是目前许多精密计量仪器常采用的手段之一。JDY-4型高精度万能测长仪正是基于这种原理。我们在使用该测长仪时,发现这种示值误差为±0.3μm的仪器,在测量轴极限测量区域,其重复测量误差之大远远超过仪器示值误差,让人费解。为了探求和解决误差产生的原因,作者做了大量实验,并进行分析研究后得出结论,为消除误差打下良好基础。

　　1　实验确定误差的分布区域

　　图1为JDY-4型测长仪的示意图,其测量原理是将光栅产生的脉冲信号经计算机转换成实际值。从理论上讲,在测量轴的整个行程中各区域的示值误差应基本相等,但在实验中我们发现测量轴的区域的位置对测量误差有不可忽视的影响,特别是测量轴移动到左右两端极限区域时,重复测量误差之大已不能作为测量的有效数据被采用。为了准确掌握误差的分布区域,进而找出规律,我们做了以下实验:

　　1.1　实验方案

　　(1)取两组不同的测量位置,使测量轴的最大回程距l分别为20mm和40mm,如图2所示;

　　(2)测量轴重复测量时取不同回返点多项测量,将测得的平均误差按相应的s点记录;

　　(3)作出重复测量的误差分布曲线如图3。

　　1.2　对误差分布曲线分析

　　从图3可看出:(1)随着s的减小,到一定区域后δ急剧增大;(2)当s>10mm后,δ<0.2μm;(3)l的大小对δ的影响不明显。从误差分布曲线可得出这样一个结论:测量时,测量轴回返点只要不接近s=10mm,则测量误差对结果影响极小;若回返点太靠近限位垫,则测量误差会严重影响测量数据的真实性。为了使测量不受区域的影响,彻底消除误差,就必须寻找产生误差的原因,这样才能为消除误差创造条件。

　　2　测长仪产生误差的综合分析

　　JDY-4型测长仪属于高精度测量仪器,其总的测量误差只有约0.3μm。从图3的误差分布曲线上可看到,在靠近s=0的附近,其误差已远远超过仪器的系值误差。为了寻找产生误差的主要原因,我们采取了以下步骤:

　　(1)检查光栅尺组表面是否被污染,光栅尺组在测量轴上的固定是否出现松动;

　　(2)检查光电转换信号Vssin(ωt)和Vccos(ωt)是否构成严格的李萨如园;

　　(3)检查计算机数据处理软件的运行是否有缺陷。经过以上工作没有发现有异常现象。假设仪器及测量条件均正常的情况下,重复测量出现的粗大误差,则脉冲信号的计数上出现差错的可能性最大。因此只能从光电接收系统上找原因。由相关资料[1]可知:本仪器的栅距A=6.328μm,实测的测量轴的移动速度V=5mm/s,则测量轴经过一个光栅距所用时间t=A/V≈1.27×10-3s。本仪器所用的光电接收元件为硅光电池,其响应时间为10-3～10-4s,因此在正常速度下光电元件的灵敏度是足够的,但当测量轴运行到边界时,我们发现有爬行和窜动现象,经测量,测量轴的窜动达到V>50mm/s,这样光栅产生的每一个莫尔条纹在光电元件前的时间不到1.27×10-4s,正好处于硅光电池的临界响应区域,从而造成部分莫尔条纹没有来得及被接收记录,最终出现测量粗大误差。