一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法
2023-06-08 00:57:41 1
專利名稱：一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法
技術領域：
本發明涉及到計量光柵納米測量領域，具體涉及到一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法。
背景技術：
隨著計量光柵向納米測量領域發展，光柵測量精度已經能夠與雷射幹涉儀測量精度相媲美。目前，影響光柵測量精度的關鍵因素是莫爾條紋信號質量。由於受到光柵刻線誤差的影響、光柵安裝過程中的角度誤差影響，以及莫爾條紋光電轉換元件及空間安裝位置偏差，加上前置放大器的參數離散影響等，莫爾條紋信號都會存在不等幅誤差、直流非零值誤差以及正交相位誤差等，這些誤差必然引起莫爾條紋信號細分誤差的增大，而細分誤差的增大嚴重製約光柵測量精度的提高。若不能將光柵莫爾條紋信號中的誤差分離出來，光柵位移測量精度僅能達到數百納米至微米級，這與要求達到的納米級測量精度相去甚遠。圖I為光柵測量誤差組成圖，包括系統誤差和細分誤差，其中細分誤差是由莫爾條紋信號經電子細分後引起的測量誤差。系統誤差易於修正，圖2為圖I經過系統誤差修正後的誤差曲線。由圖2可見，細分誤差已成為光柵測量誤差的主要來源。若能將光柵莫爾條紋信號中的誤差項分離出來，就可以消除圖2中的細分誤差， 進而實現納米級的測量精度。目前，莫爾條紋信號誤差分離算法相當複雜，既存在多個誤差項分離時的相互耦合問題，也存在誤差分離時的發散問題，且分離精度有限。為解決上述誤差分離存在的問題，需要對莫爾條紋信號誤差分離算法進行研究， 找出一種能夠將相互耦合的多個誤差項分開進行分離的算法。
發明內容
本發明要解決的技術問題是通過單變量誤差分離算式及遞推算法，解決莫爾條紋信號多個誤差項的完全分離。為解決上述問題，本發明的技術方案如下一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法，其特徵在於，誤差分離步驟如下A)構建單變量誤差分離算式影響光柵傳感器測量精度的莫爾條紋信號採樣值Vsi和Vcd中，需要修正的誤差項有4個不等幅誤差係數K。，莫爾條紋正弦信號直流分量Vs，莫爾條紋餘弦信號直流分量V。， 正交相位誤差爐，如式(I)和式(2)所示
vsi =RIKcX sin(0 + φ)+Υ!,( I )vci = RX cos ( θ )+Vc⑵
這裡i = 1，2，3，4......N洱為莫爾條紋信號幅值。對式(I)和式⑵的採樣值Vsi和Vcd按式(3)和式(4)進行修正，就可得到無誤差的莫爾條紋信號採樣值V' 31和。:
權利要求
1.一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法，其特徵在於，誤差分離步驟如下A)構建單變量誤差分離算式影響光柵傳感器測量精度的莫爾條紋信號採樣值Vsi和&中，需要修正的誤差項有4 個不等幅誤差係數K。，莫爾條紋正弦信號直流分量Vs，莫爾條紋餘弦信號直流分量V。，正交相位誤差爐，如式(I)和式(2)所示vM. =RIKcx sin(0 + φ) + Υ!,( I )vci = RX cos ( θ ) +Vc(2)這裡i = 1,2,3,4......N ;R為莫爾條紋信號幅值。對式⑴和式⑵的採樣值Vsi和&按式⑶和式⑷進行修正，就可得到無誤差的莫爾條紋信號採樣值V 31和。ei:Vsl = [Kc X (vsl - Vs) - (vcl - Vc) X sm(9>)]/cos(9)) ( 3 )V' ci = Vci-Vc⑷這裡 i = 1,2,3,4......N；對於任意兩組莫爾條紋信號採樣值vsi、Vc;i和VspVcu_，由式⑶和式⑷可以分別獲得 Ri和Rj，如式(5)和式(6)所示R, = ^[Kc X (VM - Vs) - (vc, - Vc) X sm(9>)]2/cos2(9>) + (vc, - Kc)2(5)Rj = ^[Kc X (V9. -VJ- (vcj -Vc) X sm (￠))] / cos (φ) + (vcj -Vc)(6)這裡 i = 1,2,3,4......N ； j = 1,2,3,4......N ；i ^ j ；假定相鄰幾個莫爾條紋信號周期內的莫爾條紋信號幅值和誤差項為恆定值，表明Ri = Rj,則由式(5)和式(6)得到式(7)表達式^[Kc X (vsi - Vs) - (vci - Vc) X sm(9>)]2/COS2(P) + (vci - Vc)2 =^[Kc X (vsj - Vs) - (vcj - Vc) X sm(9>)]2/cos2(9)) + (vcj - Vc)2(7)式(7)中的誤差項[Xe，Vs, Vc 糾再按[1(。，0，0，0]、[1，Vs，0，0]、[1，0，vc，o]和 [I, 0，0，糾進行分解，就可得到每一個獨立誤差項的分離算式，如式(8)、式(9)、式(10) 和式(11)所示Kck = (vci ~ Vg') Kvsi ~Vsj)( 8 )Ki = — (Vsi _ Vl' + vCi _ Vcj ) !iVsi ~Vsj)(9)Vck = — (Vsi ~ V1j + vCi - Vg') Kvci ~Vcj)(10)% = arcsm[士 (v:. - V2sj + V2cl - v2CJ)l{vsl x vc, - vSJ x vg )] (J1)式(8)、式(9)、式(10)、式(11)就是單變量誤差分離算式；式(3)、式(4)和式(8)、式(9)、式(10)、式(11)就是內推和外推兩個遞推循環所依據的遞推公式；B)遞推循環與誤差完全分離，遞推循環由內推循環和外推循環組成I)內推循環將式⑶、式(9)、式(10)和式(11)得到的內推分離值作為誤差修正值，按式(3)和式(4)對莫爾條紋信號採樣值進行修正，修正後的莫爾條紋信號採樣值替換式(8)、式(9)、式(10)和式(11)中的莫爾條紋信號採樣值，再次進行內推誤差分離，直到內推誤差分離值小於給定值為止；內推誤差分離值序列為(/h，φι，(fh，Ψα......<Ρμ '當滿足I Kcm-I I < δ17 VsM| < δ2，KcM| < 53，|_|<麼時，內推循環結束；2)外推循環對內推分離值序列求積、求和，得到莫爾條紋信號外推誤差分離值
全文摘要
本發明公開了一種提高光柵傳感器測量精度的誤差分離方法。假定相鄰幾個光柵莫爾信號周期內的信號幅值和誤差項為恆定值，首先為每一個誤差項構建獨立的分離算式，之後將每一個誤差分離值組合在一起對光柵莫爾信號進行兩級遞推修正，直到誤差分離值的偏差在給定的範圍之內；由於誤差分離值為大量光柵莫爾信號採樣值通過分離算法後的平均值，因而可以大幅減小光柵莫爾信號中的隨機幹擾對誤差分離的影響。本發明公開的誤差分離算法簡單，不存在多個誤差項分離時的相互耦合問題，且分離精度高，可以同時分離出310%不等幅誤差值、310%直流誤差值以及335°正交誤差值等，從而提高了光柵傳感器的測量精度。
文檔編號G01D3/028GK102589576SQ20121001340
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者徐從裕 申請人:徐從裕