电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法，包括自动聚焦光路的构建，自动检测算法的实现，对电机位移平台运动平整度的测量，数据的记录和拟合等步骤。通过激光、四象限探测器、像散透镜等构建一个自动聚焦光路，通过算法编程实现自动检测。当电机位移平台开始移动的时候，通过自动检测系统检测电机平台在运动过程中上下振动的幅度，记录并绘制位移平台在不同位置的振动幅度。本发明专利技术简单实用，操作便捷，实现了在非接触式的情况下对电机位移平台运动平整度的测量，具有很高的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法
本专利技术涉及电机位移平台的运动平整度测量，是一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法。
技术介绍
近年来，随着科技的不断发展，在高精密机械制造和加工，高精度光学和电子元件的制造，高精度光学测量，高精度3D打印制造,以及半导体制造行业等，对精度的要求越来越高，而在这些领域的精密制造和加工中，电机位移平台是一种非常常用的一种加工平台，因此，对电机位移平台本身运动平整度的误差测量与消除也变得日益迫切，在当前采用的千分表测量方法是接触式测量，其精度远不能满足高精密测量的需求，本专利技术提出了一种电机位移平台运动平整度的非接触式的测量装置及测量方法，其测量精度高，超过100nm，具有很高的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法。电机位移平台在运动过程中的上下振动起伏导致反射到四象限探测器上的光斑形状发生变化，通过对四象限探测器信号的处理，得到此时电机运动平台的振动方向以及振动幅度，在不与电机位移平台接触的情况下对电机位移平台在运动过程中的运动平整度进行测量。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是：一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，其特点在于，包括计算机、控制器、激光器、扩束准直器、1/2波片、四象限探测器、像散透镜、偏振分光棱镜、1/4波片、反射镜、固定在压电陶瓷上的聚焦物镜，以及供铝膜样品放置的二维电机位移平台；所述四象限探测器的输出端与所述控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与压电陶瓷和二维电机位移平台相连，且该控制器与所述计算机进行通讯。所述的像散透镜与四象限探测器之间的距离m满足如下条件，m＝2fc式中，fc为像散透镜的焦距。所述的激光器发出波长为658nm的红光。利用所述的非接触式测量装置进行电机位移平台运动平整度的测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：步骤1)用磁控溅射方法在玻璃基底上镀上一层铝薄膜作为铝膜样品；步骤2)设计四象限探测器电路：a)将四象限探测器的四个象限依次设为A,B,C,D，采用电流电压转换器将四个象限采集到的电流信号转换为电压信号，设测得四个象限的电压值分别为VA、VB、VC、VD；b)利用加法器、减法器和除法器，计算聚焦误差电压信号FES：c)将聚焦误差电压信号FES传入控制器；步骤3)调节压电陶瓷和铝膜样品的距离，即使铝膜样品表面从聚焦物镜的近焦向远焦移动，通过四象限探测器测量压电陶瓷每一位置的四个象限电压值，计算并记录各位置对应的聚焦误差电压信号FES，并根据FES值绘制成S曲线；步骤4)根据S曲线的线性区域的中值所对应的FES值作为基准值SP；步骤5)利用数字PID控制器算法，其中，e(k)为输入偏差，e(k)＝SP-PV；u(k)为输出变量，即聚焦物镜上压电陶瓷的伸缩量；Kp、Ti、Td分别为比例系数，积分时间和微分时间；T为采样周期，遵循奈奎斯特采样定律，设置采样频率大于信号频率的两倍以上；步骤6)控制器控制二维电机位移平台移动，通过四象限探测器此刻的四个象限电压值，计算并记录所对应的聚焦误差电压信号FES作为输入参数PV；步骤7)依次调节比例参数Kp、积分参数Ti和微分参数Td，使e(k)尽可能接近0；步骤8)控制器控制二维电机位移平台移动，实时计算压电陶瓷的伸缩量，同时，控制器将二维电机位移平台当前位置和对应的压电陶瓷的伸缩量一并传输至计算机，计算机根据二维电机位移平台移动位置和伸缩量进行图形绘制，并利用最小二乘法将图像进行线性拟合，得到二维电机位移平台的运动平整度曲线图。本专利技术聚焦透物镜、像散透镜和四象限探测器构成的像散法原理如下：利用成像公式可以得到其中，a1和b1分别为聚焦物镜的物距和像距，a2和b2分别为像散透镜的物距和像距,f0和fc分别为聚焦物镜和像散透镜的焦距。设四象限探测器上的光斑在x轴和y轴方向上的半轴长分别为Rx和Ry，由几何关系可以得到Rx/Rc＝(m-b2)/b2(3)Ry/Rc＝(a2-m)/a2(4)Rc＝Roa2/b1(5)其中Rc是像散透镜的半径,m为像散透镜和四象限探测器之间的距离。将公式(1)(2)(5)带入公式(3)和(4)中，可以求解出Rx和Ry：其中l为聚焦物镜和像散透镜之间的距离，Ro为聚焦物镜的半径。当反射样品表面在聚焦物镜的焦点时，a1＝f0，此时四象限探测器上的光斑为圆光斑，即Rx＝Ry，将公式(6)和(7)代入可以求得m＝2fc(8)即可得到像散透镜与四象限探测器之间的距离m。根据计算得到的m和l的值设置四象限探测器和像散透镜以及像散透镜和聚焦物镜之间的距离。本专利技术的技术效果如下：利用光学的方法，通过测量电机位移平台在运动过程中上下振动起伏导致的四象限探测器上的光斑形状的变化，对四象限探测器信号的处理，得到此时电机运动平台的振动方向以及振动幅度，在不与电机位移平台接触的情况下对电机位移平台在运动过程中的平整度进行测量。其优点是：1)非接触式测量。2)测量精度非常高，能够达到100nm以下。3)成本低廉，操作简单。附图说明图1是本专利技术电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置的示意图图2是本专利技术的像散法原理图图3是本专利技术的四象限探测器上的光斑示意图图4是本专利技术的四象限探测器电路示意图图5是本专利技术的程序流程图图6是本专利技术的PZT设置曲线图像图7是本专利技术S曲线图像图8是本专利技术拟合前的数据图像图9是本专利技术拟合后的电机位移平台平整度图像图中：1-计算机，2-控制器，3-激光(658nm)，4-扩束准直器，5-1/2波片，6-四象限探测器，7-像散透镜，8-偏振分光棱镜，9-1/4波片，10-反射镜，11-聚焦物镜，12-压电陶瓷，13-铝膜样品，14-二维电机位移平台。具体实施方式下面通过实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1：一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，包括计算机1、控制器2、激光器3、扩束准直器4、1/2波片5、四象限探测器6、像散透镜7、偏振分光棱镜8、1/4波片9、反射镜10、聚焦物镜11、压电陶瓷12、铝膜样品13、二维电机位移平台14：如图1所示，激光器3发出波长为658nm的红光，经过扩束准直器4变成平行光，然后依次经过1/2波片5，偏振分光棱镜8，1/4波片9，经反射镜10反射之后入射到聚焦物镜11，最后聚焦到反射样品13上。激光经过反射样品13反射，沿光路返回，然后被偏振分光棱镜8反射，经过像散透镜7汇聚到四象限探测器6上。四象限探测器采集到的信号传入控制器2中，控制器2与计算机1通过TCP/IP协议进行通讯。图2所示为聚焦透物镜11，像散透镜7，以及四象限探测器6构成的像散法原理图。利用成像公式可以得到其中，a1和b1分别为聚焦物镜11的物距和像距，a2和b2分别为像散透镜7的物距和像距,f0＝2mm和fc＝50mm分别为聚焦物镜11和像散透镜6的焦距。设四象限探测器上的光斑在x轴和y轴方向上的半轴长分别为Rx和Ry，由几何关系可以得到Rx/Rc＝(m-b2)/b2(3)Ry/Rc＝(a2-m)/a2(4)Rc＝Roa2/b1(5)其中Rc＝5mm是像散透镜的半径,m为像散透镜7和四象限探测器6之间的距本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，其特征在于，包括计算机(1)、控制器(2)、激光器(3)、扩束准直器(4)、1/2波片(5)、四象限探测器(6)、像散透镜(7)、偏振分光棱镜(8)、1/4波片(9)、反射镜(10)、固定在压电陶瓷(12)上的聚焦物镜(11)，以及供铝膜样品(13)放置的二维电机位移平台(14)；所述四象限探测器(6)的输出端与所述控制器(2)的输入端相连，该控制器(2)的输出端分别与压电陶瓷(12)和二维电机位移平台(14)相连，且该控制器(2)与所述计算机(1)进行通讯。
【技术特征摘要】
1.一种电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，其特征在于，包括计算机(1)、控制器(2)、激光器(3)、扩束准直器(4)、1/2波片(5)、四象限探测器(6)、像散透镜(7)、偏振分光棱镜(8)、1/4波片(9)、反射镜(10)、固定在压电陶瓷(12)上的聚焦物镜(11)，以及供铝膜样品(13)放置的二维电机位移平台(14)；所述四象限探测器(6)的输出端与所述控制器(2)的输入端相连，该控制器(2)的输出端分别与压电陶瓷(12)和二维电机位移平台(14)相连，且该控制器(2)与所述计算机(1)进行通讯。2.根据权利要求1所述的电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，其特征在于，所述的像散透镜(7)与四象限探测器(6)之间的距离m满足如下条件，m＝2fc式中，fc为像散透镜(6)的焦距。3.根据权利要求1所述的电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置，其特征在于，所述的激光器(3)发出波长为658nm的红光。4.利用权利要求1-3任一所述的非接触式测量装置进行电机位移平台运动平整度的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)用磁控溅射方法在玻璃基底上镀上一层铝薄膜作为铝膜样品(13)；步骤2)设计四象限探测器电路：a)将四象限探测器的四个象限依次设为A,B,C,D，采用电流电压转换器将四个象限采集到的电流信号转换为电压信号，设测得四个象限的电压值分别为VA、VB、VC、VD；b)利用加法器、减法器和除法器，计算聚焦误差电压信号FES：
【专利技术属性】
技术研发人员：白震，梁鑫，魏劲松，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31
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