光栅位移测量系统的误差自修正方法研究

　　1　引　言

　　随着我国机械制造业和仪器仪表业的快速发展,人们对于日益广泛应用的光栅位移测量系统测量精度的要求越来越高,出现了许多提高系统测量精度的方法[1]。目前许多项目采用了误差修正的方法,它是按一定的校正周期进行修正,经过人工对比测量值和标准器的数值,得到一个确定的误差函数,然后由单片机根据这个函数进行误差修正[2~6]。这种方法一定程度上提高了系统的测量精度,但是,其主要缺点是修正后的系统在使用一段时间后,实际测量系统的误差发生了变化,而单片机仍然按照上次人工确定的误差函数对该系统的误差进行修正,这将导致系统测量精度的降低。

　　本文提出的光栅位移测量系统的误差自修正方法,是通过单片机对具有多个零位的线位移光栅传感器的信号进行处理,然后由零位信号的计数值和测量值得到位移信息,最后根据误差函数自动进行误差修正。该方法克服了目前误差修正方法的不足,较好地提高了光栅测量系统的测量精度。

　　2　误差自修正的光栅位移测量系统

　　图1所示的误差自修正光栅位移测量系统是由精密导轨系统、光栅传感器、电路系统、单片机和LED显示器系统组成。

　　光栅传感器的全量程为200 mm,栅距为0.02mm,每隔10 mm设置一个零位。测量时,精密导轨系统驱动光栅传感器,产生莫尔条纹,该条纹在4个光敏元件上成像并被转化为相位依次相差90°的4路正弦波信号。当正弦波信号变化一个周期时,组成光栅传感器的标尺光栅和指示光栅的相应位移就变化一个栅距[7]。电路系统对该正弦波信号进行滤波整形、细分和计数,并将计数值送到缓存器,等待单片机进行采集。单片机P89C54经过数据总线采集缓存器中的计数值并送入内存,进行计算和处理,然后按误差修正算法对计数值进行修正,并将修正后的位移数据存储在SRAM存储器中,同时送LED显示器进行显示。

　　3　测量系统的误差

　　3.1　在校正周期进行修正的测量系统的误差

　　我们将全量程按每隔10 mm分为一段,共N段。设X为位移测量值,Xi为第i段(i=1,2,…,N+1)的测量值,δi为处于第i段的测量误差,当均段线性插值函数L1(X)通过测量点时,其线性逼近值为:

　　测量中作为标准器的标准线纹尺的刻线间隔为1mm,测量不确定度为0.2μm。我们先对进行修正前的测量系统进行测量,测量时以最左端的零位作为起始点,向右进行测量,对其他零位信号暂时不做处理。取测量长度为200 mm,每隔10 mm测量一次,得到21个误差测量数据。然后,根据式(1)对测量系统进行误差修正,测量结果如图2所示。