本發(fā)明涉及位移測量技術領域，具體是一種基于光柵干涉儀的精密高度計。

背景技術：

量具量儀是機械、光學零件計量測試的必備工具，也是產品質量的保證。高度計是測量長度的通用指示類量具，在產品質量檢測中廣泛應用。通常使用的高度計普遍是利用光柵傳感器，光柵傳感器的精度取決于光柵尺的柵距和信號的電子細分，光柵尺的柵距通常為20um、40um或者60um，其原始光電信號輸出和柵距相同，基于光柵尺的高度計其分辨率取決于電子細分技術，在高精度應用場合如亞微米甚至納米測量中其精度難以保證，高精度的高度計往往采取繁瑣的精度標定來實現高精度測量，如國內標普納米測控技術有限公司生產的高度計基于光柵傳感器，其采用的是嚴格計算差值補償的方法，這種方法必須具有高精度的零點和信號一致性，頻繁的使用導致零點和信號一致性降低，從而導致精度下降。

針對目前精密工程的不斷進步，超精密加工已實現亞微米甚至納米精度，超精密零件必須使用精度等級更高更穩(wěn)定的計量器具進行檢測，基于光柵傳感器的高度計難以可靠實現在納米精度量級的工件的檢測。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于光柵干涉儀的精密高度計，以解決現有技術位移測量技術中傳統(tǒng)高度計難以實現高精度測量、分辨率低的技術問題，采用光柵干涉儀作為光學讀數頭，以光柵柵距作為測量基準，提高了高度計的測量精度與重復性。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：包括垂直設置的測量柱，測量柱前側面垂直安裝有測量導軌，測量導軌和配重導軌上滑動裝配有滑塊，由配重導軌、測量導軌、配重構成傳動結構；

測量柱前側面位于導軌一側還垂直安裝有標尺光柵，所述滑塊上固定有內有光路干涉系統(tǒng)的光學讀數頭，光學讀數頭前側面垂直安裝有測頭，光學讀數頭與標尺光柵之間光學配合，還包括光電檢測單元、信號處理單元，光學讀數頭中光路干涉系統(tǒng)輸出與光電檢測單元輸入連接，光電檢測單元輸出與信號處理單元輸入連接，由標尺光柵、光學讀數頭中的光路干涉系統(tǒng)、光電檢測單元、信號處理單元構成光柵干涉儀系統(tǒng)；

測量柱外還設有顯示裝置，信號處理單元的輸出與顯示裝置連接；

高度測量時，光學讀數頭隨測頭在垂直方向移動，光學讀數頭與光柵光學配合，由光路干涉系統(tǒng)產生發(fā)生干涉，產生兩路相位相差90°的光干涉信號，兩路光干涉信號輸入到光電檢測單元，將光干涉信號轉換為電信號并對電信號進行差動放大、濾波，信號處理單元對信號進行非線性誤差修正和相位細分后將測量結果傳輸出至顯示裝置。

所述的一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：所述傳動結構中，測量柱前方有水平設置的測量基準平臺。

所述的一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：所述傳動結構中，測量柱后側面垂直安裝有配重導軌，配重導軌上通過滑塊滑動安裝有配重，配重重量與光學讀數頭、測頭總重量匹配，測量柱頂端轉動安裝有滑輪機構，所述配重與光學讀數頭之間通過柔性鋼絲連接，且柔索繞過測量柱頂端的滑輪機構。

所述的一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：所述光柵干涉儀系統(tǒng)中，光路干涉系統(tǒng)包括半導體激光器、第一偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第二偏振分光鏡、第二四分之一波片、第一平面反射鏡、第三四分之一波片、第一角錐棱鏡、第四四分之一波片、第一透鏡、第二平面反射鏡、第五四分之一波片、第一非偏振分光鏡、第三偏振分光鏡、第四偏振分光鏡、第一光電探測器、第二光電探測器；

半導體激光器發(fā)出的一束激光通過第一偏振分光鏡、第一四分之一波片后經過第二偏振分光鏡分成互相垂直的兩束光，一束光通過第二四分之一波片、第一反射鏡反射后再次經過第二四分之一波片和第二偏振分光鏡并沿激光發(fā)出光束垂直方向射出，射出后經過第四四分之一波片、第一透鏡后聚焦在標尺光柵上；另一束通過第三四分之一波片、第一角錐棱鏡反射后再次經過第三四分之一波片和第二偏振分光鏡并沿激光發(fā)出光束垂直方向射出，射出后經過第四四分之一波片、第一透鏡后聚焦在所述標尺光柵上；兩束光在所述標尺光柵上發(fā)生反射衍射，經第二平面鏡反射后在所述標尺光柵上發(fā)生二次衍射；經歷二次衍射的兩衍射光束按原來入射到所述標尺光柵的光路返回，一束經過第一透鏡、第四四分之一波片、第二偏振分光鏡、第三四分之一波片、第一角錐棱鏡反射后再次經過第三四分之一波片、第二偏振分光鏡后沿激光發(fā)出光束相反方向射出，另一束經過第一透鏡、第四四分之一波片、第二偏振分光鏡、第二四分之一波片后經第一反射鏡反射后再次經過第二四分之一波片、第二偏振分光鏡后沿激光發(fā)出光束相反方向射出，此時兩束光重合并通過第一非偏振分光鏡分為等值的兩疊合光，再通過第三、第四偏振分光鏡后取其在0度和45度的偏振方向上疊合產生兩束相位相差90°的等值干涉光，由第一、第二光電探測器接收后作為測量信號傳輸至光電檢測單元。

所述的一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：所述光柵干涉儀系統(tǒng)中，光電檢測單元包括光電轉換單元、I/V轉換濾波單元、差動放大單元，光電轉換單元接收第一、第二光電探測器的光強信號并將光強信號轉換為電信號，I/V轉換濾波單元將光電轉換電路輸出的微弱的電流信號經過放大濾波后轉換為電壓信號，再由差動放大單元對電壓信號進行差動放大，用來消除移動過程中弦波信號的直流飄移以及信號的共模噪聲。

所述的一種基于光柵干涉儀的精密高度計，其特征在于：所述光柵干涉儀系統(tǒng)中，信號處理單元包括由FPGA構建的數據采集及處理單元，光電檢測單元輸出的光電轉換后的信號存在不等幅誤差、直流電平漂移誤差以及信號非正交誤差，數據采集及處理單元利用海德曼模型實現信號誤差修正。

本發(fā)明由于該系統(tǒng)以亞微米的光柵周期為基準，既克服了過分依靠電子細分帶來的可靠性問題，又降低了對激光器性能的要求。因此具有分辨高、精度高、靈敏度高、成本低的特點。

在集成化光柵干涉儀的設計方面采用分光系統(tǒng)、圓偏振光干涉儀，有效提高了光學讀數頭與光柵之間的對位公差，從而提高了信號的穩(wěn)定性。在光路設計上利用光柵二次衍射，在不進行電子細分的情況下提高了細分精度。信號處理基于FPGA利用海德曼模型對信號細分和誤差實時修正。

本發(fā)明提出基于傳統(tǒng)機械式高度計的機構形式，利用光柵干涉儀代替常用光柵傳感器開發(fā)具有納米級分辨率的精密高度計，為目前精度優(yōu)于微米工件提供基本質量檢測工具。光柵干涉儀采用高密度計量光柵為測量基準構建測量結構，測量系統(tǒng)輸出信號不經過細分處理即可實現亞微米的精度，與傳統(tǒng)光柵傳感器主要依靠電子細分實現亞微米測量相比，具有更好的系統(tǒng)重復性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于衍射光柵的精密高度計傳動結構主視圖。

圖2是本發(fā)明基于衍射光柵的精密高度計傳動結構側視圖。

圖3是是本發(fā)明基于衍射光柵的精密高度計中光柵干涉儀系統(tǒng)框圖。

圖4是本發(fā)明基于衍射光柵的精密高度計中光學系統(tǒng)光路設計圖。

圖5是本發(fā)明基于衍射光柵的精密高度計中信號處理流程圖。

圖6是|T|<π、T>0、周期內正向移動范圍圖。

圖7是|T|<π、T>0、周期內逆向移動范圍圖。

圖8是|T|>π、T>0，反向移動一個周期范圍圖。

圖9是|T|>0π、T<0，正向移動一個周期范圍圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于光柵干涉儀的精密高度計，整個裝置包括傳動結構、光柵干涉儀系統(tǒng)和顯示裝置6。傳動結構包括測量導軌2、配重導軌7和配重8。將光學讀數頭4安裝在測量導軌2的滑塊上，測頭5與光學讀數頭4相連，因此在測量物體高度時，光學讀數頭4與標尺光柵3產生相對移動，進而測出物體高度。如圖3所示為光柵干涉儀系統(tǒng)框圖，光柵干涉儀包括光路干涉系統(tǒng)、光電檢測單元以及信號處理單元，光電檢測單元包括光電轉換單元和I/V轉換單元、差動放大單元，信號處理單元包括由FPGA構建的數據采集及處理單元，數據采集及處理單元中進行非線性誤差修正和相位細分。如圖4所示為光路干涉系統(tǒng)光路圖，光學系統(tǒng)包括標尺光柵3、半導體激光器11、第一偏振分光鏡12、第二偏振分光鏡13、第三偏振分光鏡14、第四偏振分光鏡15、第一非偏振分光鏡16、第一四分之一波片17、第二四分之一波片18、第三四分之一波片19、第四四分之一波片20、第五四分之一波片21、第一平面反射鏡22、第二平面反射鏡23、第一角錐棱鏡24、第一透鏡25、第一光電探測器26、第二光電探測器27。光干涉信號輸入至光電檢測單元，信號處理單元將測量結果傳輸至顯示裝置6。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于光柵干涉儀的精密高度計的傳動結構，測量導軌2安裝在測量柱1前表面上，光學讀數頭4安裝在測量導軌2的滑塊上，測頭5用螺絲安裝在光學讀數頭4底部。標尺光柵3與光學讀數頭4相對放置，顯示裝置6放置在測量柱1左方。測量導軌2相對于標尺光柵3移動時，滑塊帶動光學讀數頭4以及測頭5移動，因此，在測量物體高度時，測頭5移動，進而使光學讀數頭4與標尺光柵3發(fā)生相對位移，測出物體高度并將高度值顯示在顯示裝置6上。

如圖2所示，在測量柱1后側面與測量導軌2相同的位置上安裝配重導軌7，測量導軌2與配重導軌7運行方向平行，在配重導軌7的滑塊上安裝有與測頭5以及光學讀數頭4重量相匹配的配重8，光學讀數頭4和配重8通過柔性鋼絲9相連，利用滑輪機構10實現光學讀數頭4和配重8的相對移動。通過控制光學讀數頭4和配重8的相對重量來保證測頭5的測量力小于0.1N。保證了千分尺在使用過程中測頭測量力適中。底座安裝測量基準平臺28來保證測量精度。

如圖4所示，本發(fā)明光路干涉系統(tǒng)中，由半導體激光器11發(fā)出的一束激光通過第一偏振分光鏡12后成為P偏振光，經過第一四分之一波片17后成為圓偏振光。經過第二偏振分光鏡13后分成兩束互相垂直的光(P偏振光和S偏振光)。對于S偏振光，經由第二偏振分光鏡13的反射后，并在穿過第三四分之一波片19后變成左旋圓偏振光。這個左旋圓偏振光傳遞到第一角錐棱鏡24，經過了三次完整的反射，再次通過第三四分之一波片19變?yōu)镻偏振光。該P偏振光通過第二偏振分光鏡13沿垂直于入射光束的方向進入。通過第四四分之一波片20后變?yōu)橛倚龍A偏振光。對于P偏振光，經過第二偏振分光鏡13沿入射光方向經過第二四分之一波片18并由第一平面反射鏡22反射后再次通過第二四分之一波片18變?yōu)镾偏振光。它沿原光束方向返回后再次經過第二偏振分光鏡13后反射，經過第四四分之一波片20后變?yōu)樽笮龍A偏振光。兩束出射光經過第一透鏡25聚焦至標尺光柵3上，在標尺光柵3上經歷反射衍射。出射的右旋圓偏振光先產生-1級的衍射條紋，-1級衍射條紋經過第二平面反射鏡23反射后再次在標尺光柵3上經歷反射衍射，獲得+1級衍射條紋，沿先前出射的右旋圓偏振光的方向經過第四四分之一波片20后變?yōu)镾偏振光重新進入第二偏振分光鏡13。出射的左旋圓偏振先產生+1級的衍射條紋，+1級衍射條紋經過第二平面反射鏡23反射后再次在標尺光柵3上經歷反射衍射，獲得-1級衍射條紋，沿先前出射的左旋圓偏振光的方向經過第四四分之一波片20后變?yōu)镻偏振光重新進入第二偏振分光鏡13。兩束光現在分別為S偏振光+1級條紋，P偏振光-1級條紋，S偏振光+1級條紋經第二偏振分光鏡13反射經過第二四分之一波片18變?yōu)樽笮龍A偏振光，經過第一平面反射鏡22反射后再次經過第二四分之一波片18變?yōu)镻偏振光+1級條紋。P偏振光-1級條紋經過第三四分之一波片19后變?yōu)橛倚龍A偏振光經第一角錐棱鏡24反射后再次經過第三四分之一波片19變?yōu)镾偏振光-1級條紋。此時這兩束光發(fā)生重合形成干涉光，干涉光先經過第五四分之一波片21，兩束光分別變成右旋圓偏振光+1級衍射條紋和左旋圓偏振光-1級衍射條紋，再進入第一非偏振分光鏡16分成兩束等值的疊合光束，一束進入第三偏振分光鏡14后取其在0度的偏振方向上疊合形成干涉光進入第一光電探測器26進行光強度的檢測。而另一束疊合光進入第四偏振分光鏡15取其在45度的偏振方向上疊合形成干涉進入第二光電探測器27進行光強度的檢測。第一光電探測器與第二光電探測器接收的光干涉信號相位相差90度。

如圖3所示，本發(fā)明光電檢測單元包括兩級電路，第一級是光電轉換單元、I/V轉換濾波單元，第一級將光干涉信號轉換的微弱電流信號進行I/V放大并進行電容濾波，第二級是將兩路電信號進行差動放大的差動放大單元，，這樣可以減少光柵移動過程中弦波信號的直流飄移以及信號的共模噪聲。

光電轉換后的信號主要存在不等幅誤差、直流電平漂移誤差以及信號非正交誤差，光電轉換后的兩路干涉信號可以表示為：

其中，為實際信號，R₁、R₂為兩路信號的不等幅誤差，p和q分別為兩路信號的直流電平漂移誤差；α為信號非正交誤差，令

如圖5所示為信號處理流程圖，本發(fā)明信號處理單元是基于FPGA的信號誤差補償以及基于相位的正交信號細分，包括以下步驟：

步驟1)：FPGA初始化。

步驟2)：采集n組原始的sin、cos信號，創(chuàng)建存儲隊列存儲每個采樣點的數據。

步驟3)：數據預處理采用簡單的濾波方式：將每10組采樣點的數值相加求平均。

步驟4)：對數據進行篩選和存儲操作，分為以下四個小步驟：

1)：首先計算相鄰采樣點對應移動的距離：(其中：a為空氣折射率，λ為波長)，與設定的噪聲閾值1nm(對應相位變化為0.00632rad)進行比較，當小于閾值時認為兩次條紋變化是由噪聲引起的，予以剔除；反之則認為是位移變化引起的，暫存數據，繼續(xù)篩選；

2)：為了避免測頭停止移動時重復記入數據，所以要判斷測頭是否停止移動：首先計算每個采樣點的相對位移：其中fringe pause test設定為0，與設定的判斷停止閾值2nm(對應相位變化為0.01264rad)進行比較，對暫存的100組數據進行篩選，若100組數據相對位移均小于2nm，則認為測頭停止移動，不重復計數，即此100組數據均不計入存儲隊列；如果在100組數據中相對位移至少有一次大于2nm，則說明測頭仍在移動，將相對位移大于2nm的暫存數據計入存儲隊列；

3)：實時判斷存儲隊列是否滿溢，若存儲隊列數據組數超過設定存儲隊列容量n，則將最先入隊列的一組數據出隊列，這里設定隊列容量為n＝4000，每組數據包括3個變量：原始sin，原始cos，相位fringe。

4)在測頭移動過程中可能會出現往返移動的情況，這時我們要在測頭移動過程中實時保存max&min fringe，當測頭由向前移動變?yōu)橄蚝笠苿訒r，相位由大變小，此時將max fringe之后的數據出列，當測頭由向后移動變?yōu)橄蚯耙苿訒r，相位由小變大，此時將min fringe之后的數據出列，這樣可以減少非線性誤差修正時的計算量。

步驟5)對采集數據中的原始信號進行最值索引，利用可初步計算出原始信號的直流漂移，并對采集的每組數據進行直流漂移補償。然后對采集的n組數據進行如下式計算。

已知海德曼誤差修正的橢圓方程為：Ax²+By²+Cxy+Dx+Ey＝1,運用數學方法進行迭代，并求解線性方程，此式符合多元線性回歸的形式,通過運算可以求出系數A,B,C,D,E的最佳值,根據計算結果反算出α、r、p、q、R，理想條件下的信號和實測信號之前存在以下關系：

將反算出的誤差用作自定義控件輸出，注意：直流漂移為初步計算的直流漂移與計算出的p，q的和。

步驟6)將校正后的正余弦信號進行反正切運算可以得到隨時間變化的相位角，通過相位角的變化情況可以實現整周期計數和非整周期細分。對于整周期計數，如圖a所示為相位隨時間變化圖像，當相位角出現跳變時整周期進行一次計數，根據測頭移動方向不同跳變可分為正向跳變和反向跳變，設A為當前相位值，B為前一組采集數據的相位值，設定跳變判斷閾值為π，設T＝A-B,如表1所示根據T值范圍可以進行整周期計數。

表1T值范圍表

情況1：如圖6所示，|T|<π、T>0，相當于周期內正向移動，此時周期計數器N不變；

情況2：如圖7所示，|T|<π、T<0，相當于周期內逆向移動，周期計數器N不變；

情況3：如圖8所示，|T|>π、T>0，周期計數器N減1，π突變到+π表示反向移動一個周期。

情況4：如圖9所示，|T|>0π、T<0，周期計數器N加1，+π突變到π表示正向移動一個周期。

對于非整周期細分，利用移位寄存器存儲測量初始相位值θ_ori和測量終點相位值θ_fin，則非整周期細分值

步驟6)：測頭移動位移的計算，通過對N和n的計算和存儲求出位移

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。