专利名称：一种大行程运动台位移测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量方案，且特别涉及ー种位置敏感探測器阵列大行程位移測量装置。
背景技术：
位置敏感探测器(PSD :Position Sensitive Detector)是一种对入射到光敏面光点位置敏感的PIN型光电ニ极管，通过平面扩散制造エ艺，由P、I、N三层构成，它可在垂直探測器平面的两个方向上对入射光敏感。其以分辨率高、实用性强、响应速度快、后续处理电路结构简单等优点，广泛地应用于非接触激光位移检测系统中。在測量精度要求为微米级的运动控制系统中，PSD和CCD得到了广泛的应用，均可以通过多个测量值解算得到运动台的六自由度位移。二者优劣各异，相对而言，PSD的优势在于分辨率高、后处理电路简单、响应速度快以及无“盲区”，PSD的劣势在于其线性度差、测量范围有限。以准确性、实时性作为系统评价标准，PSD具有更大的应用前景。由于PSD的測量范围有限，导致运动台的行程受限。在大行程运动系统中，为了能提高PSD測量系统的测量范围，増加运动台运动行程，一般采取结合其他位移传感器(电涡流、光栅尺等)的方式进行测量，而不同种类的測量元件，会増大信号通讯及处理的难度。

发明内容
为了克服现有应用中运动台行程受限于PSD測量范围的问题，本发明提供ー种能够测量大行程运动台位移的PSD阵列测量方案。为了实现上述目的，本发明的方案如下—种大行程运动台位移測量方法，特征在于该方法包括将光路分配装置固定于运动台上，所述光路分配装置生成多束相互平行的第一測量光，所述第一測量光与水平面平行；将多个位置敏感探测器组成线性阵列，固定于基台上，所述位置敏感探測器的工作面和所述基台的水平面垂直。所述多束第一測量光与所述位置敏感探测器线性阵列按照一定的方式排布，使得所述运动台在运动区域内至少有一束第一測量光被所述位置敏感探測器线性阵列检测到，所述排布方式按照如下公式计算k>^-
d当第一測量光不等间距，位置敏感探測器等间距排布吋，设相邻位置敏感探測器的间距为τρ，有m束第一測量光，位置敏感探測器的測量范围为d，则满足m>—。
a将多对探测头组成的线性阵列固定于基台上，所述多对探测头发射多束相互平行的第二測量光，所述探测头组成的线性阵列用于检测所述第二測量光是否被所述运动台遮挡，根据分布于所述运动台运动区域内的所述第二測量光的遮挡情况，得到所述运动台大致位置。沿同一方向同时布置所述位移敏感探測器阵列以及所述探测头线性阵列，根据所述位置敏感探測器的測量结果以及探测头得到的所述运动台大致位置，解算出所述运动台在所述方向的长行程位移量，解算方法按如下公式解算设所述运动台沿y方向做直线运动，此时位置敏感探测器阵列中第η个位置敏感探測器检测到第一測量光，第η个位置敏感探測器的測量原点相对于基台坐标系的坐标为( , y。，Ztl),所被检测的第一測量光相对于第η个位置敏感探测器测量原点的坐标为(0，yi，Zl)，所述相邻探测头的间距为τ ω， 探测头阵列有ω束光被遮挡，此ω对探测头y方向的中心坐标为，运动台质心位于形心处，其长度为1，则探测头所测量的运动台质心位
置误差为±^^，且运动台上发射被检测的第一測量光位置与运动台质心在y方向的
相对位置为，其误差为±^^，结合光路分配装置的安装位置，可确定被检测
到的第一測量光以及其相对于运动台质心的精确位置，设相对于质心的位置为(も，yr, Zr)，故运动台y方向位移为zyo+yry!·。ー种大行程运动台多自由度位移測量方法，利用所述的运动台单个直线位移測量方法，将所述的位置敏感探测器阵列和探测头阵列组成的单个直线位移測量装置分别布置于两个方向，通过位置敏感探测器以及探测头测量值解算出运动台多个自由度位移量，按如下方式解算设所述的位置敏感探测器阵列和探测头阵列组成的单个直线位移測量方案分别布置于X和y两个方向，位于运动台四周，根据所述的大行程位移測量方法，解算出运动台χ和y方向的长行程位移，由于单片位置敏感探测器属于ニ维小平面測量，故能测量运动台在z方向上的小位移，同时根据每组直线位移測量方案得到的χ或y以及z方向的位移量，解算运动台三个转角方向的位移量，实现多自由度測量。所述光路分配装置的一种实施方案包括1个激光器，出射一束測量光；多块分光镜组成线性阵列，其按一定间距比例固定放置于所述运动台表面，所述分光镜工作面和水平面垂直，所述分光镜相互平行，所述激光器发射的測量光通过所述分光镜线性阵列生成多束所述第一测量光。所述光路分配装置的另ー种实施方案采用光纤分光器，所述光纤分光器固定于所述运动台上，所述光纤分光器可产生所述多束第一測量光。所述探测头阵列最小间距按照如下公式计算设t为相邻所述探测头阵列最小间距，P为所述第一測量光最小间距，则满足t ( P。本发明的技术效果是实现了エ业精密运动领域中位置敏感探测器测量对运动台长行程位移量的无接触測量，适合运用于精密測量运动控制系统，降低了信号通讯以及处理的难度。


图I是本发明位置敏感探测器阵列工作原理示意图；图2是本发明探测头阵列工作原理示意图；图3a是本发明大行程运动台位移測量示意图；图3b是本发明运动台多自由度测量示意图4是本发明位置敏感传感器阵列ー种布置方法示意图；图中，101-运动台；102-基台；201-光路分配装置；202_分光镜；203_激光器；204_第一测量光；301-位置敏感探測器； 401-探测头；402-第二测量光。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施方式作进ー步地详细描述。大行程运动台位移測量方法，所述测量方法主要包括光路分配装置201、PSD301线性阵列和探测头401阵列。如图I所示，将光路分配装置201固定于运动台101上，所述光路分配装置20)生成多束相互平行的第一測量光204，所述第一測量光204与水平面平行；将多个位置敏感探测器301组成线性阵列，固定于基台102上，所述位置敏感探測器301的工作面和所述基台102的水平面垂直；所述多束第一測量光204与所述位置敏感探測器301线性阵列按照ー定的方式排布，使得所述运动台101在运动区域内至少有I束第一測量光204被所述位置敏感探測器301线性阵列检测到，所述排布方式按照如下公式计算当所述第一測量光204等间距，所述位置敏感探測器301周期排布吋，设相邻第一測量光204间距为Td，有m束第一測量光204，每个周期内位置敏感探測器301的数量为k个，位置敏感探測器301的測量范围为d，则满足k>-j-
a当所述第一測量光204不等间距，所述位置敏感探測器301等间距排布吋，设相邻位置敏感探測器301的间距为τρ，有m束第一測量光204，位置敏感探測器301的测量范围为山则满足m>—。
d如图2所示，所述探测头401阵列，其固定放置于所述基台102上，当不能保证所述PSD301阵列在所述运动台101运动区域内任意位置均能检测到至少2束所述第一測量光204时，此时仅依靠I束所述第一測量光204不能解算出所述运动台101的位移量，为了解决此问题，可以采用如图2所示的探测头401阵列。所述探测头401阵列可发射第二测量光402，并且所述探测头401阵列可以检测到所述第二測量光402是否被遮挡。所述第ニ測量光分布于所述运动台101运动空间内，可以根据所述探测头401阵列的测量值得到所述运动台101的大致位置。在仅有一束所述第一測量光204被所述PSD301阵列检测的情况下，可以根据所述探测头401阵列得到的所述运动台101大致位置推算出所测量的所述第一測量光204与所述运动台101的对应位置，进而解算出所述运动台101的精确位移。所述探测头401阵列最小间距按照如下公式计算设t为每对所述探测头401最小间距，P为所述第一測量光204最小间距，则满足t彡p。如图3a所示，沿同一方向同时布置所述位移敏感探測器301阵列以及所述探测头401线性阵列，根据所述位置敏感探測器301的測量结果以及探测头401得到的所述运动台101大致位置，解算出所述运动台101在所述方向的长行程位移量，按如下公式解算设所述运动台101沿y方向做直线运动，此时位置敏感探測器301阵列中第η个位置敏感探測器检测到第一測量光204，第η个位置敏感探測器的測量原点相对于基台102坐标系的坐标为( , y。，Ztl)，所被检测的第一測量光204相对于第η个位置敏感探测器测量原点的坐标为(0，y1； Z1),所述相邻探测头401的间距为τ ω，探测头401阵列有ω束光被遮挡，此ω对探测头y方向的中心坐标为，运动台101质心位于形心处，其长度为1，则探测头401
所测量的运动台101质心位置误差为±^^，且运动台101上发射被检测的第一測量
2
光204位置与运动台101质心在y方向的相对位置为Jjy1Im，其误差为-土レ'、，结合
光路分配装置201的安装位置，可确定被检测到的第一測量光204以及其相对于运动台101质心的精确位置，设相对于质心的位置为(Xy yy zj ,故运动台IOly方向位移为w+yii。 如图3b所示，利用所述的运动台单个直线位移測量方法，将所述的位置敏感探測器301阵列和探测头401阵列组成的单个直线位移測量装置分别布置于两个方向，通过位置敏感探測器301以及探测头测量值解算出运动台101多个自由度位移量，按如下方式解算设所述的位置敏感探測器301阵列和探测头401阵列组成的单个直线位移測量方案分别布置于χ和y两个方向，位于运动台101四周，根据所述的大行程位移測量方法，解算出运动台χ和y方向的长行程位移，由于单片位置敏感探测器属于ニ维小平面測量，故能測量运动台101在z方向上的小位移，同时根据每组直线位移測量方案得到的χ或y以及z方向的位移量，解算运动台101三个转角方向的位移量，实现多自由度測量。如图4所示，给出了一种所述m个所述分光镜202和所述η个PSD301的排布方式实施例，其中m = 6，且所述分光镜202相互间距相等，PSD周期排布。取单个PSD的测量范围d = 10mm,所述运动台长度为200mm,也即相邻所述第一测量光的间距
I 200τ < — =-= 33.3mm
m ο根据所述计算公式，可得到每个周期内所述PSD数目为k> — = — = 3
d 10即所述PSD301线性阵列以每三个为周期进行排布，此种排布方式能够保证在所述运动台101其运动区域内的任意位置有I束所述第一測量光204被所述PSD301线性阵列检测到。采用循环移位的方式，假设所述运动台101向右运动，现从左至右分别对所述第一测量光204和所述PSD301进行编号，所述第一测量光204 :ai、a2、a3、a4、a5、a6，所述PSD301
b2、b3、b4、b5、b6。当所述运动台101在向右运动时,被检测的所述第一测量光204和检测到所述第一測量光204的所述PSD301对应关系如下所示(apb) — (^a3> b2) — (a5> b3) — la6、b4) — (a2、b2) — (a4、b3) — (a5、b4)—(a^ b2) — (a3、b3) — (a4、b4) — (a6、b5) — (a2、b3) — (a3、b3) — (a5、b5)—(a^ b3) — (a2、b4) — (a4、b5) — (a6、b6) — (B1 > b4)......如此循环。在此基础上，如需增加量程，则需增加PSD301的个数并按照所述的排列方式布置即可。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。权利要求
1.一种大行程运动台直线位移测量方法，特征在于该方法包括 1)将光路分配装置(201)固定于运动台(101)上，所述光路分配装置(201)生成多束相互平行的第一测量光(204)，所述第一测量光(204)与水平面平行； 2)将多个位置敏感探测器(301)组成线性阵列，固定于基台(102)上，所述位置敏感探测器(301)的工作面和所述基台(102)的水平面垂直； 3)所述多束第一测量光(204)与所述位置敏感探测器(301)线性阵列按照一定的方式排布，使得所述运动台(101)在运动区域内至少有I束第一测量光(204)被所述位置敏感探测器(301)线性阵列检测到，所述排布方式按照如下公式计算 当所述第一测量光(204)等间距，所述位置敏感探测器(301)周期排布时，设相邻第一测量光(204)间距为Td，有m束第一测量光(204)，每个周期内位置敏感探测器(301)的数量为k个，位置敏感探测器(301)的测量范围为d，则满足
2.一种大行程运动台多自由度位移测量方法，特征在于该方法包括利用所述的运动台单个直线位移测量方法，将所述的位置敏感探测器(301)阵列和探测头(401)阵列组成的单个直线位移测量装置分别布置于两个方向，通过位置敏感探测器(301)以及探测头测量值解算出运动台(101)多个自由度位移量，按如下方式解算设所述的位置敏感探测器(301)阵列和探测头(401)阵列组成的单个直线位移测量方案分别布置于X和y两个方向，位于运动台(101)四周，根据所述的大行程位移测量方法，解算出运动台X和y方向的长行程位移，由于单片位置敏感探测器属于二维小平面测量，故能测量运动台(101)在z方向上的小位移，同时根据每组直线位移测量方案得到的X或y以及z方向的位移量，解算运动台(101)三个转角方向的位移量，实现多自由度测量。
3.根据权利要求I所述的一种大行程运动台位移测量方法，其特征在于所述光路分配装置(201)包括 1)一个激光器(203)，出射一束测量光； 2)多块分光镜(202)组成线性阵列，固定于所述运动台(101)表面，所述分光镜(202)工作面和水平面垂直，所述分光镜(202)相互平行，所述激光器(203)发射的测量光通过所述分光镜(202)组成的线性阵列生成多束所述第一测量光(204)。
4.根据权利要求I所述的一种大行程运动台位移测量方法，其特征在于所述光路分配装置(201)采用光纤分光器，所述光纤分光器固定于所述运动台(101)上，所述光纤分光器产生多束互平行的第一测量光(204)。
5.根据权利要求I所述一种大行程运动台位移测量方法，其特征在于所述探测头(401)阵列的最小间距按照如下公式计算设t为相邻所述探测头(401)阵列最小间距，p为所述第一测量光(204)最小间距，则满足t ( p。全文摘要
一种大行程运动台位移测量方法，该方法包括光路分配装置，位置敏感探测器阵列以及探测头阵列；所述光路分配装置生成的多束第一测量光与所述位置敏感探测器阵列按照一定的方式排布，保证所述运动台在运动区域内任意位置均至少有1束第一测量光被位置敏感探测器阵列检测到；能够判断光束是否被遮挡的所述探测头阵列可用于所述运动台位置的辅助测量；根据上述测量方案，可确定所述位置敏感探测器阵列所测的第一测量光对应的运动台位置，进而解算所述运动台位移量。本发明有效地扩大了位置敏感探测器测量范围，实现了运动台长行程位移量的测量。
文档编号G01B11/02GK102661709SQ20121012197
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者刘召, 刘昊, 尹文生, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 杨开明, 穆海华, 胡金春, 蒋毅 申请人:清华大学