一种基于光栅干涉仪的精密高度计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光栅干涉仪的精密高度计，包括传动结构、光栅干涉仪系统和显示装置。传动结构包括测量导轨、配重导轨、测头和配重，光栅干涉仪系统包括标尺光栅、光路干涉系统、光电检测单元以及信号处理单元。本发明专利技术可实现对小零件高度的测量，测量分辨率可达到50nm。本发明专利技术利用光栅干涉仪代替常用光栅传感器来研发具有纳米级分辨率的精密高度计，是一种能实现高精度、高分辨率的测量系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及位移测量
，具体是一种基于光栅干涉仪的精密高度计。
技术介绍
量具量仪是机械、光学零件计量测试的必备工具，也是产品质量的保证。高度计是测量长度的通用指示类量具，在产品质量检测中广泛应用。通常使用的高度计普遍是利用光栅传感器，光栅传感器的精度取决于光栅尺的栅距和信号的电子细分，光栅尺的栅距通常为20um、40um或者60um，其原始光电信号输出和栅距相同，基于光栅尺的高度计其分辨率取决于电子细分技术，在高精度应用场合如亚微米甚至纳米测量中其精度难以保证，高精度的高度计往往采取繁琐的精度标定来实现高精度测量，如国内标普纳米测控技术有限公司生产的高度计基于光栅传感器，其采用的是严格计算差值补偿的方法，这种方法必须具有高精度的零点和信号一致性，频繁的使用导致零点和信号一致性降低，从而导致精度下降。针对目前精密工程的不断进步，超精密加工已实现亚微米甚至纳米精度，超精密零件必须使用精度等级更高更稳定的计量器具进行检测，基于光栅传感器的高度计难以可靠实现在纳米精度量级的工件的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光栅干涉仪的精密高度计，以解决现有技术位移测量技术中传统高度计难以实现高精度测量、分辨率低的技术问题，采用光栅干涉仪作为光学读数头，以光栅栅距作为测量基准，提高了高度计的测量精度与重复性。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：包括垂直设置的测量柱，测量柱前侧面垂直安装有测量导轨，测量导轨和配重导轨上滑动装配有滑块，由配重导轨、测量导轨、配重构成传动结构；测量柱前侧面位于导轨一侧还垂直安装有标尺光栅，所述滑块上固定有内有光路干涉系统的光学读数头，光学读数头前侧面垂直安装有测头，光学读数头与标尺光栅之间光学配合，还包括光电检测单元、信号处理单元，光学读数头中光路干涉系统输出与光电检测单元输入连接，光电检测单元输出与信号处理单元输入连接，由标尺光栅、光学读数头中的光路干涉系统、光电检测单元、信号处理单元构成光栅干涉仪系统；测量柱外还设有显示装置，信号处理单元的输出与显示装置连接；高度测量时，光学读数头随测头在垂直方向移动，光学读数头与光栅光学配合，由光路干涉系统产生发生干涉，产生两路相位相差90°的光干涉信号，两路光干涉信号输入到光电检测单元，将光干涉信号转换为电信号并对电信号进行差动放大、滤波，信号处理单元对信号进行非线性误差修正和相位细分后将测量结果传输出至显示装置。所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱前方有水平设置的测量基准平台。所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱后侧面垂直安装有配重导轨，配重导轨上通过滑块滑动安装有配重，配重重量与光学读数头、测头总重量匹配，测量柱顶端转动安装有滑轮机构，所述配重与光学读数头之间通过柔性钢丝连接，且柔索绕过测量柱顶端的滑轮机构。所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光路干涉系统包括半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第一平面反射镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜、第四四分之一波片、第一透镜、第二平面反射镜、第五四分之一波片、第一非偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器；半导体激光器发出的一束激光通过第一偏振分光镜、第一四分之一波片后经过第二偏振分光镜分成互相垂直的两束光，一束光通过第二四分之一波片、第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在标尺光栅上；另一束通过第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在所述标尺光栅上；两束光在所述标尺光栅上发生反射衍射，经第二平面镜反射后在所述标尺光栅上发生二次衍射；经历二次衍射的两衍射光束按原来入射到所述标尺光栅的光路返回，一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，另一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片后经第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，此时两束光重合并通过第一非偏振分光镜分为等值的两叠合光，再通过第三、第四偏振分光镜后取其在0度和45度的偏振方向上叠合产生两束相位相差90°的等值干涉光，由第一、第二光电探测器接收后作为测量信号传输至光电检测单元。所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光电检测单元包括光电转换单元、I/V转换滤波单元、差动放大单元，光电转换单元接收第一、第二光电探测器的光强信号并将光强信号转换为电信号，I/V转换滤波单元将光电转换电路输出的微弱的电流信号经过放大滤波后转换为电压信号，再由差动放大单元对电压信号进行差动放大，用来消除移动过程中弦波信号的直流飘移以及信号的共模噪声。所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，信号处理单元包括由FPGA构建的数据采集及处理单元，光电检测单元输出的光电转换后的信号存在不等幅误差、直流电平漂移误差以及信号非正交误差，数据采集及处理单元利用海德曼模型实现信号误差修正。本专利技术由于该系统以亚微米的光栅周期为基准，既克服了过分依靠电子细分带来的可靠性问题，又降低了对激光器性能的要求。因此具有分辨高、精度高、灵敏度高、成本低的特点。在集成化光栅干涉仪的设计方面采用分光系统、圆偏振光干涉仪，有效提高了光学读数头与光栅之间的对位公差，从而提高了信号的稳定性。在光路设计上利用光栅二次衍射，在不进行电子细分的情况下提高了细分精度。信号处理基于FPGA利用海德曼模型对信号细分和误差实时修正。本专利技术提出基于传统机械式高度计的机构形式，利用光栅干涉仪代替常用光栅传感器开发具有纳米级分辨率的精密高度计，为目前精度优于微米工件提供基本质量检测工具。光栅干涉仪采用高密度计量光栅为测量基准构建测量结构，测量系统输出信号不经过细分处理即可实现亚微米的精度，与传统光栅传感器主要依靠电子细分实现亚微米测量相比，具有更好的系统重复性。附图说明图1是本专利技术基于衍射光栅的精密高度计传动结构主视图。图2是本专利技术基于衍射光栅的精密高度计传动结构侧视图。图3是是本专利技术基于衍射光栅的精密高度计中光栅干涉仪系统框图。图4是本专利技术基于衍射光栅的精密高度计中光学系统光路设计图。图5是本专利技术基于衍射光栅的精密高度计中信号处理流程图。图6是|T|<π、T>0、周期内正向移动范围图。图7是|T|<π、T>0、周期内逆向移动范围图。图8是|T|>π、T>0，反向移动一个周期范围图。图9是|T|>0π、T<0，正向移动一个周期范围图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供了一种基于光栅干涉仪的精密高度计，整个装置包括传动结构、光栅干涉仪系统和显示装置6。传动结构包括测量导轨2、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：包括垂直设置的测量柱，测量柱前侧面垂直安装有测量导轨，测量导轨和配重导轨上滑动装配有滑块，由配重导轨、测量导轨、配重构成传动结构；测量柱前侧面位于导轨一侧还垂直安装有标尺光栅，所述滑块上固定有内有光路干涉系统的光学读数头，光学读数头前侧面垂直安装有测头，光学读数头与标尺光栅之间光学配合，还包括光电检测单元、信号处理单元，光学读数头中光路干涉系统输出与光电检测单元输入连接，光电检测单元输出与信号处理单元输入连接，由标尺光栅、光学读数头中的光路干涉系统、光电检测单元、信号处理单元构成光栅干涉仪系统；测量柱外还设有显示装置，信号处理单元的输出与显示装置连接；高度测量时，光学读数头随测头在垂直方向移动，光学读数头与光栅光学配合，由光路干涉系统产生发生干涉，产生两路相位相差90°的光干涉信号，两路光干涉信号输入到光电检测单元，将光干涉信号转换为电信号并对电信号进行差动放大、滤波，信号处理单元对信号进行非线性误差修正和相位细分后将测量结果传输出至显示装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：包括垂直设置的测量柱，测量柱前侧面垂直安装有测量导轨，测量导轨和配重导轨上滑动装配有滑块，由配重导轨、测量导轨、配重构成传动结构；测量柱前侧面位于导轨一侧还垂直安装有标尺光栅，所述滑块上固定有内有光路干涉系统的光学读数头，光学读数头前侧面垂直安装有测头，光学读数头与标尺光栅之间光学配合，还包括光电检测单元、信号处理单元，光学读数头中光路干涉系统输出与光电检测单元输入连接，光电检测单元输出与信号处理单元输入连接，由标尺光栅、光学读数头中的光路干涉系统、光电检测单元、信号处理单元构成光栅干涉仪系统；测量柱外还设有显示装置，信号处理单元的输出与显示装置连接；高度测量时，光学读数头随测头在垂直方向移动，光学读数头与光栅光学配合，由光路干涉系统产生发生干涉，产生两路相位相差90°的光干涉信号，两路光干涉信号输入到光电检测单元，将光干涉信号转换为电信号并对电信号进行差动放大、滤波，信号处理单元对信号进行非线性误差修正和相位细分后将测量结果传输出至显示装置。2.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱前方有水平设置的测量基准平台。3.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱后侧面垂直安装有配重导轨，配重导轨上通过滑块滑动安装有配重，配重重量与光学读数头、测头总重量匹配，测量柱顶端转动安装有滑轮机构，所述配重与光学读数头之间通过柔性钢丝连接，且柔索绕过测量柱顶端的滑轮机构。4.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光路干涉系统包括半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第一平面反射镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜、第四四分之一波片、第一透镜、第二平面反射镜、第五四分之一波片、第一非偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器；半导体激光器发出的一束激光通过第一偏振分光镜、第一四分之...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏豪杰，张欣，张海铖，胡梦雯，陈长春，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34