专利名称：一种相位调制光栅传感器及实现测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于位移和长度纳米精度测量的相位调制光栅传感器及实现测量的方法。
背景技术：
基于纳米技术的产业和半导体设备产业，需要高度可靠、具有快速稳定定位能力、精度达到亚纳米水平的仪器。现在，激光干涉仪，电容测量仪和光栅传感器都可以达到亚纳米级分辨率，但是他们都有各自的问题，例如激光干涉仪对空气温度，湿度和大气压力的改变很敏感，影响测量的重复性。电容测量仪测量范围小，安装时调整过程困难。光栅传感器结构紧凑，综合光栅测量的误差平均效应、信号稳定与干涉测量的高灵敏特点，把干涉测量的基准由光波波长转为光栅常数，实现高精度位移測量，实际应用中比激光干涉仪具有更强的适应性。因此，尽管高端的光栅传感器由于小间距(>0.5微米)和短行程光栅，往往
需要细致的安装和信号调整，位置传感器的应用仍然越来越广泛。目前激光光栅传感器測量分辨率已经达到纳米甚至皮米级。国内外典型高精度光栅测量传感器产品性能如表I所示。从表中可以看出，光栅测量系统目前測量性能基本可以和激光干涉仪媲美，步入纳米測量范畴。表I典型激光光棚传感器广品系统性能指标
产品測量范围光栅栅距分辨率精度/重复性
Heindenhain LIP38270mm O. 512umInm± O. IumSony BS7870mm O. 55um0. 28nm±0.1勝7Canonn ML-08/1000GA 10Omm 1.6um 0.8nm <0.8m/w
标普 LG10-0001IOmmIumInm± (30+3L)m基于激光光栅传感器精度高、系统适用性强、结构紧凑，成本较低的技术优势，国内外科研机构对衍射光栅测量的原理与方法进行了大量研究。就研究内容来说分为两大类基于衍射光栅的精密传感方法研究和信号处理方法研究。图I所示为衍射式光栅传感器原理图，光源I (内置聚光镜的半导体激光器)发出平行光入射到高线数光栅2上，±1级衍射光分别由反射镜3和4反射到分光镜5，会聚于光电器件6上，当光栅移动时，两束光发生干渉，通过对干渉信号的处理得到光栅的位移信息。该种光栅传感器对光栅读数头和光栅之间的距离要求相对宽松，便于系统安装。基于种原理的的精密传感方法，国内外ー些研究机构和公司都提出了自己的想法和产品。如Heidenhain利用发光二极管(LED)与双光栅组成LIP系列干涉扫描栅尺，实现了小于Inm分辨率；M. Dobosz利用单衍射光栅测量结构在50mm量程内实现20nm的分辨率，O. Ium的精度；Lee等人针对目前光栅干涉測量光路进行优化设计，提高系统安装容许公差，实现纳米測量；合肥エ业大学费业泰和范光照团队研制的衍射光栅纳米位移測量系统，30mm的测量范围达到20nm的精度等等。
目前国内外针对光栅纳米測量技术提出了各种不同的原理方法，其核心目的就是降低信号噪声、提高系统容差能力，但目前光栅纳米測量技术难以满足深纳米测量的需要，其主要技术障碍为(I)信号直流漂、幅值波动是制约激光光栅传感器纳米测量精度、速度最重要因素。半导体激光器功率输出不稳定、电路噪声、光源功率漂移、光电接收器都是造成直流漂移的因素。光栅纳米測量技术大多采用检偏移相法获得四个相位差为90度的信号，利用差动放大技术降低直流漂移影响，但实际使用过程中，由于光电接收器的差异等因素并 不能有效去除直流分量。幅值波动的影响因素有光栅面光学特性的不均匀以及实际应用中測量速度变化。測量信号读取吋，由于低通滤波降噪以及光电转换器件的固有特性，当測量速度较大时測量信号的幅值下降，在应用过程中，虽然可以采用数字信号处理手段实现良好的稳幅，但这些方法都是从幅值的变化规律中去预测下一时间点的信号幅值修正方法，实时性较差，从而实际应用中限制了測量速度。(2)測量系统缺少激光光栅纳米传感器中实时误差补偿与校准修正技木。在精密測量系统中，寻找系统运行过程中的误差特点与规律，利用电子技术进行实时误差补偿，是研制纳米精度測量设备经济有效的方法。但是目前文献报道系统没有实时误差測量补偿模块。

发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种能实现纳米精度位移测量的相位调制光栅传感器及实现测量的方法。本发明是通过以下技术方案实现的一种相位调制光栅传感器，包括光路部分和信号处理部分，所述的光路部分包括有反射光栅尺、遮光板、两个反射镜、三个四分之一波片、两个偏振分光镜、半导体激光器、光电信号检测器、压电陶瓷促动器和四象限探測器，第一个偏振分光镜的分光面正对所述半导体激光器的出光ロ，所述的三个四分之一波片分别放置在所述分光面的对称面以及与所述分光面相邻的两个相互対称的面的前面且三个四分之一波片的快轴方向为45度，所述的两个反射镜的位置相对称，且其中ー个反射镜粘贴在所述压电陶瓷促动器上，所述的半导体激光器发出的激光束入射到所述第一个偏振分光镜的分光面上，激光束被分为偏振方向相互垂直的两束光，被偏振分光镜反射的光束称为左臂光，被偏振分光镜透射的光束称为右臂光，其中左臂光经过第一个四分之一波片后被转化为左旋圆偏振光并入射到第一反射镜上，后被反射到所述反射光栅尺上，并发生衍射；所述右臂光经过第三个四分之一波片后被转化为右旋圆偏振光井入射到粘贴在压电陶瓷促动器上的第二反射镜上，后被反射到反射光栅尺上，并发生衍射；调整第一反射镜和第二反射镜的角度，使左臂光和右臂光以大小为arCsin(A/2d)的角度入射到所述反射光栅尺上，其中λ为半导体激光器发出激光束的波长，d为反射光栅尺的栅距，则左臂光的O级衍射光入射到所述四象限探測器中，右臂光的O级衍射光入射到所述遮光板上，左臂光的+1级衍射光沿左臂光入射方向原路返回，右臂光的-I级衍射光沿右臂光入射方向原路返回，左臂光的+1级衍射光再经第一反射镜反射，再次经过第一个四分之一波片，由左旋圆偏振光转化激光束透射过第一个偏振分光镜，经过第二个四分之一波片后转化为右旋偏振光；右臂光的-I级衍射光再经第二反射镜反射，再次经过第三个四分之一波片，由右旋圆偏振光转化为激光束，被第一个偏振分光镜反射，经过第二个四分之一波片后转化为左旋偏振光；此时，左臂光和右臂光重合，再经过位于第二个四分之一波片另ー侧的第二个偏振分光镜后，左臂光和右臂光同时照射到位于第二个偏振分光镜后侧的光电信号检测器上；所述的信号处理部分包括有两个A/D转换器、ー个D/A转换器、驱动电路、检测电路和FPGA芯片，所述FPGA芯片包括有误差补偿模块、信号发生器和信号解调模块，所述的光电信号检测器、检测电路、第一个A/D转换器依次相连接，所述的信号发生器、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷促动器依次相连接，所述的四象限探測器、第二个A/D转换器、误差补偿模块依次相连接，第一个A/D转换器的输出端和误差补偿模块的输出端均与所述的信号解调模块的输入端相连接，信号解调模块的输出端连接用户端。所述的遮光板的作用是防止右臂光的O级衍射光照射到光路中产生干扰。一种采用上述相位调制光栅传感器实现测量的方法，基于压电陶瓷促动器对其中 一路光束进行周期光程调制，从而对光栅产生的基于多普勒效应干涉测量信号的相位进行周期调制；采用相位解调技术，使用一个光电信号检测器，光电检测器上检测的光强I为I= E^E212 = A12+A22+2A1A2cos (4 π x/d+msinwt)其中，msin(wt)表示振荡信号，m表示信号振幅，w表示振动频率，t表示时间,光强I是ー个相位调制信号，经过傅里叶变化后得
权利要求
1.一种相位调制光栅传感器，其特征在于包括光路部分和信号处理部分，所述的光路部分包括有反射光栅尺、遮光板、两个反射镜、三个四分之一波片、两个偏振分光镜、半导体激光器、光电信号检测器、压电陶瓷促动器和四象限探測器，第一个偏振分光镜的分光面正对所述半导体激光器的出光ロ，所述的三个四分之一波片分别放置在所述分光面的对称面以及与所述分光面相邻的两个相互对称面的前面且三个四分之一波片的快轴方向为45度，所述两个反射镜的位置相对称，且其中ー个反射镜粘贴在所述压电陶瓷促动器上，所述的半导体激光器发出的激光束入射到所述第一个偏振分光镜的分光面上，激光束被分为偏振方向相互垂直的两束光，被偏振分光镜反射的光束称为左臂光，被偏振分光镜透射的光束称为右臂光，其中左臂光经过第一个四分之一波片后被转化为左旋圆偏振光并入射到第一反射镜上，后被反射到所述反射光栅尺上，并发生衍射；所述右臂光经过第三个四分之一波片后被转化为右旋圆偏振光井入射到粘贴在压电陶瓷促动器上的第二反射镜上，后被反射到反射光栅尺上，并发生衍射；调整第一反射镜和第二反射镜的角度，使左臂光和右臂光以大小为arCsin(A/2d)的角度入射到所述反射光栅尺上，其中λ为半导体激光器发出激光束的波长，d为反射光栅尺的栅距，则左臂光的O级衍射光入射到所述四象限探測器中，右臂光的O级衍射光入射到所述遮光板上，左臂光的+1级衍射光沿左臂光入射方向原路返 回，右臂光的-1级衍射光沿右臂光入射方向原路返回，左臂光的+1级衍射光再经第一反射镜反射，再次经过第一个四分之一波片，由左旋圆偏振光转化激光束透射过第一个偏振分光镜，经过第二个四分之一波片后转化为右旋偏振光；右臂光的-I级衍射光再经第二反射镜反射，再次经过第三个四分之一波片，由右旋圆偏振光转化为激光束，被第一个偏振分光镜反射，经过第二个四分之一波片后转化为左旋偏振光；此时，左臂光和右臂光重合，再经过位于第二个四分之一波片另ー侧的第二个偏振分光镜后，左臂光和右臂光同时照射到位于第二个偏振分光镜后侧的光电信号检测器上；所述的信号处理部分包括有两个A/D转换器、ー个D/A转换器、驱动电路、检测电路和FPGA芯片，所述FPGA芯片包括有误差补偿模块、信号发生器和信号解调模块，所述的光电信号检测器、检测电路、第一个A/D转换器依次相连接，所述的信号发生器、D/A转换器、驱动电路、压电陶瓷促动器依次相连接，所述的四象限探測器、第二个A/D转换器、误差补偿模块依次相连接，第一个A/D转换器的输出端和误差补偿模块的输出端均与所述的信号解调模块的输入端相连接，信号解调模块的输出端连接用户端。
2.ー种采用权利要求I所述的相位调制光栅传感器实现测量的方法，其特征在于基于压电陶瓷促动器对其中一路光束进行周期光程调制，从而对光栅产生的基于多普勒效应干涉测量信号的相位进行周期调制；采用相位解调技术，使用一个光电信号检测器，光电检测器上检测的光强I为 I = I E^E212 = A12+A22+2A1A2cos (4 τι x/d+msinwt) 其中，msin(wt)表示振荡信号，m表示信号振幅，w表示振动频率，t表示时间,光强I是ー个相位调制信号，经过傅里叶变化后得 1(f) = A12 + A2+ IA1A2J0 (m) cos(4;rx / d)CO-4A1 A, sin(4^x / d)^ (/w) sin[(2M - \)wt^\ M=I
3.根据权利要求I所述的ー种相位调制光栅传感器，其特征在于所述的误差补偿模块的工作原理为利用齐次变换矩阵建立光栅坐标系(Χ，γ，ζ)与读数头坐标系(x，y，z)之间的对准误差传递关系为
全文摘要
本发明公开了一种相位调制光栅传感器及实现测量的方法，基于PZT对光栅测量信号进行相位调制，避免直流漂移和幅值波动对纳米测量信号的影响；采用嵌入误差检测模块实时补偿光栅传感器对位误差，实现纳米精度的位移和长度测量。包括光路部分和信号处理部分。本发明简化了安装调整，减小了冗余反射光束，改善了信号品质，还降低了环境对系统的干扰，基于FPGA信号处理部分，可以提高系统信号处理速度，通过相位解调，可有效避免直流漂移和幅值波动对测量信号的影响，可实现纳米精度的测量。
文档编号G01B11/02GK102679882SQ20121012872
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者夏豪杰 申请人:夏豪杰