长度光栅测量系统的误差修正技术

臧洪涛（佳木斯市质量技术监督检验检测中心，黑龙江 佳木斯 154004）

长度光栅测量系统的误差修正技术

臧洪涛
（佳木斯市质量技术监督检验检测中心，黑龙江 佳木斯 154004）

摘要：长度测量技术是近几年工程建设、工业生产等领域研究最多的问题，其测量系统分辨率早已经达到微米、亚微米乃至纳米等级。本文就长度光栅测量工作中出现的误差来源分析，简单的阐述了有关误差修正技术，仅供同行工作参考。

关键词：长度光栅测量系统；误差；修正技术；分辨率；测量结果

目前，我国的长度光栅测量技术突飞猛进，已经达到了微米级乃至纳米级测量需求了。尤其在近几年，信息技术、计算机技术和微电子技术在我国的飞速发展和普及给测量技术的进一步突破提供了技术指导，也在很大程度上促使了长度光栅测量技术的改进，使其应用范围也越来越广。在工作中，研究出分辨率高、准确度高的长度光栅测量系统已成为目前业界人士关注重点，也是当今长度测量工作的首要目标。但是在光栅测量系统的实际应用工作中，误差修正问题一直没有得到有效的解决，其对长度光栅测量系统的进一步优化和创新造成威胁，也让测量技术的发展受到制约。因此，在当今工作中我们必须要高度重视误差修正研究，从根本上解决长度光栅测量系统的制约因素，从而更好推动光栅技术的进一步发展。

1　长度光栅测量系统误差来源

长度光栅测量系统主要指的是利用光栅原理对正在移动的物体进行长度测量，这种测量技术的利用是以测量、量化、细分、转换、接收和现实为一体的综合性内容，它也是对整个测量装置开展全面、系统处理的一个过程。其在具体工作中，工作原理如图1所示。

在长度光栅测量系统中，具体的测量工作包含了以下特点：首先同时具备了分辨率高、测量目标范围大的能力；其次，光栅的测量精确度高而且可以直接进行电子细分；再次在工作中光栅测量系统是一种智能测量系统，它本身具备良好的抗干扰能力和适应能力，能满足各种复杂条件下的长度测量工作。目前，我国科学技术日新月异发展的同时，各种先进测量技术、测量设备不断涌现，以精密机械与光学结合为基础的测量原理逐渐被人们重视，且它在保证测量系统科学性、统一性和安全性上有着突出作用。这也是光栅测量系统中一个至关重要的内容。比如，在工作中我们常采用的双光栅系统，它在传统光栅系统基础上进行了创新，使得系统分辨率高达纳米等级。这一长度测量系统的应用包含了测量系统全程范围内的位移精确度情况。第二，栅栏距离之间本身存在细分化进度优点。因此，在测量的过程中可以直接对正在移动的物体进行测量，同时设备中除了具备标尺、光栅相关因素之外，在工作中我们还要高度重视光栅系统的内部组成和设计要求，并且及时有效的调整各种测量状况，从根本上解决信号吻合及测量精确度问题，而且这种系统的重复性和误差处理效果也相当明显。在工作中，我们通过提高光栅测量系统的水平，能够有效的解决各种光栅测量误差问题，但需要注意的是系统误差修正技术的研究仍然势在必行，这也是未来长度测量领域工作研究重点。

图1 长度光栅测量工作原理图

2　误差修正原理

W=L-L0式中：W为误差；L为长度测量值；L0为长度标准值。在具体的工作中，误差修正的原理可以用图2表示，它是利用光电显微镜、线纹尺等设备来对长度光栅测量系统进行修正和处理的。这种测量技术在应用中对整个干涉测量准确性的内容会及时的加以处理和修正，并且将该长度尺作为具体的测量系统修正的技术依据。但是在实际工作中由于长度测量值本身是一个不断变化的量值，因此在测量中可以适当的选择能够满足实际工作需要的测量装置，及时的预防测量中容易产生的各种误差和故障问题。

2.1测量标准。在过去的测量工作中，人们经常都习惯将等间距玻璃线作为测量标准线，也是长度光栅测量系统中的误差衡量标准线。在测量中，线尺在经过激光干涉仪的时候我们可以将长度值和激光的波长按照一定标准排列，从而达到提高测量准确性的目的。

2.2误差测量。在测量中，通过将线纹尺直接放置在长度光栅测量系统之上，利用沿线变动体系和测量标准值与移动光栅同步进行运动，在这个移动过程中光电显微镜一直发挥不可替代的作用，它是保证测量误差的关键，也是观察选中测量线数值的主要手段。

图2 光栅误差修正原理

2.3误差修正。长度光栅测量系统的应用中，误差修正技术的采用完全可以按照上述公式来开展，在误差修正中利用先线尺本身长度作为测量横轴，利用测量误差和纵横轴建立一个科学的坐标点，然后利用公式来进行处理。其中如果将修正量表达式作为长度光栅测量系统的修正程序重点，那么在工作中我们就能够实现自动修正的具体工作要求。

3　实验研究

以200mm长线纹尺作为标准。线纹尺线纹间隔1mm，经过精光干涉仪标定。以KJY精密孔径仪光栅系统为实验研究对象，试验装置由光电显微镜、滑板、可调工作台、线纹尺和光栅系统组成如图3所示。

KJY精密孔径仪的光栅系统采用RENISHAW的0.1μm的光栅头及光栅尺，光电显微镜的瞄准精度为0.03μm。可调工作台置于仪器的滑板上，滑板与仪器的光栅系统刚性连接。将线纹尺安装在可调工作台上，则线纹尺位于长度光栅测量系统主光栅的沿线上，在安装线纹尺时尽量将线纹尺的零刻线与光栅系统的零位接近。

结语

总之，这种光栅测长系统的误差修正方法原理简单，修正精度高并可以实现自动修正。目前在已经在军工系统的一些测量项目中应用，效果良好。该方法对于三坐标测量机、测长机、万工显、精密直线位移平台等涉及光栅测长系统的设备都具有借鉴和参考价值。

参考文献

[1]汤天瑾，曹向群，林斌.计量光栅制造综述[J].光学仪器，2004（04）.

图3 实验装置示意图

中图分类号：TH71

文献标识码：A