基于单片机的余弦误差修正系统

资源类型:pdf 资源大小:291.00KB 文档分类:工业技术 上传者:杨明明

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【作者】 章海涛  程维明  欧阳航空 

【关键词】激光干涉仪 余弦误差 单片机 

【出版日期】2005-03-20

【摘要】阐述了激光干涉测量技术是高精度位移测量的最主要方法之一,具有测量范围大、分辨率高和测量精度高等优点。然而,随着测量距离增大,各项误差也随之增大。其中,余弦误差就在大行程激光干涉测量过程中成为一项不可忽略的误差。分析了余弦误差产生的原因,并设计了一套余弦误差修正系统来消除其误差。

【刊名】机电一体化

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0引言 随着纳米技术的发展,对激光干涉仪的性能 要求也不断地升级,不仅需要提高其测量精度,还 不断地向大行程发展。随着测量距离的加大,其 温度、大气压、湿度等对测量产生的影响也将随之 增加。通常,在小行程干涉测量中,由于余弦误差 带来的影响较小而不必考虑,但随着行程的增大 足以影响测量精度而变得不可忽略。 1余弦误差产生原因及计算公式 所谓的余弦误差是指工作台的移动方向与测 量光束方向不平行而导致测量值与实际移动值不 同所产生的误差。特别是在大行程纳米测量过程 中,随着测量距离的增加,余弦误差所造成的误差 将会明显增大,如图1所示。 :每 激光干涉头 、奢- 雇 一一一一一一~~一 乍 气 J 月 J_一占兰二二习 益 上一_之 厂门 少 11 巨 膺 口 死区长度Ps 、 图l余弦误差示意图 其中,0是棱镜所在溜板的运动方向与测量 光束之间的夹角;L为棱镜的实际移动距离;L’为 所测量到的距离;P为返回光束在接受面上的偏 距。通过三角关系计算,就可以得到以下关系: 基于单片机的余弦误差修正系统 85 .日.口...日........ B 11!‘ A日1 esD P== ZL X tano(1) Ec二L‘一L=L(1/eoss一1)(2) 当e很小时,即可得到余弦误差: Ec==尸2/8L(3) 从公式(3)可以看出,余弦误差的产生与偏 距尸及棱镜的实际移动量有关,因此只需测量出 尸及L值,就可以得到余弦误差的大小。当测量 距L为loomm时,偏距尸只要偏离0.Zmm时,其 余弦误差将会达到50nm,因此建立一个修正系统 是完全必要的。 2修正系统设计原理 2.1四象限光电探测器 为了能够探测出激光束的偏移量尸值,需要 采用一种光电传感器,将其光量转换为电量进行有 效的测量。本系统采用的四象限光电探测器,是一 种侧向效应的硅光敏二极管检测器,可用来作为运 动检测。四象限光电探测器位移测量原理如图2 所示。当激光束照射到其探测面上时,在A、B、c 及D4根导线上将会输出电流,进人电流放大器将 电流转换成电压值分别是风、E。、E。及E。。但由 于光强在实际应用系统中会随时间、温度等有所漂 移,因此需采用以下公式(4)、(5)进行消除: 图2四象限探测器位移测量原理图 ED一凡 凡一凡 E:= +EB一Ec- +EB+Ec+ (5) E月十En一E。一E。 刃=~二生一一翌一一三立一一-匕 一尤一E,+E。+E。+E。 了1 JI吸JJ沪 (4) 上述算法使所得信号对光强变化敏感性差, 而且四象限光电探测器的作用是用来敏感光斑点 的平均光强,这样输出信号不再十分依赖于光斑 尺_寸,具有高灵敏度,主要用来检测间隙附近的小 位移。该修正系统采用了电子工业部第四十四所 研制生产的GTllZ型四象限光电探测器。 2.2修正系统硬件设计 修正系统由探测装置、放大电路及数据采集 电路3部分组成。探测装置由四象限光电探测 器、分光棱镜、暗箱及四维调节架等5部分组成, 如图3所示。放大电路由电流/电压转换器、差动 放大器、加法放大器及除法器组成,如图4所示。 数据采集电路由刀D转换器及串口通信电路组 成,如图5所示。 四象限光电探测器 光纤 五里 激光干涉头 毛 黑箱 习一 I 二 ! _, 阮 \ \ 五维调节架 图3探测装置结构示意图 移动平台 电流电压 转换电路 勘 双输入和减双输入求和电路 (INA105) Ec 除法器DIV100 除法器DIVloo 双输入和减双输入求和电路 (INA105) 肠 图4放大电路测量示意图 2.2.1探测装置 如图3所示,激光束从激光干涉头出发,经过 三棱镜反射后,再经分光棱镜分成两束,一束透射 回激光干涉头,另一束则垂直向上经黑箱至四象 限光电探测器进行位移变化探测。当Ll二L2时, 探测器探测到位移变化就是上面所述偏距尸的 变化,相应地位移变化在探测器就会有相应的4 个象限的电流发生变化,但电流量很弱,需要进行 放大及数据采集来得到其变化量。 PZ夕 P26 Pi月 ALE POO~ —P0万 一RD WR AT89C52 INll R/C BYTE PWRI) P人R厂SER CONTC CS ADS7824 A0 Al BUSY 性 C .... l入 图5 AT89C52与ADS7824的接口电路 2,22放大电路及数据采集电路 该系统的放大电路由电流电压转换电路、双 输人和减双输入求和电路〔3〕、精密多路求和电路 及除法器DIV100等4部分组成。通过该放大电 路有效地将4路电流转换成(4)及(5)式所期望 的E:、E;。接下来,就是要将这个输出值采集到 计算机上,便于人工处理。数据采集系统由灯D 转换器、数据锁存器74LS373、AT89c52及串口电 路组成。本系统采用的灯D转换器是ADS7824, 它是一个12位4通道并/串行模/数转换芯片。 为了能快速地获取E、、E:,采用了四通道并行连 续转换模式,如图5所示。其中,PWRD与Pl.。相 接,A。与PO.。相接,Al与P0,相接,CS直接接地, BYTE接P26及别C接P2.7。这样,就可有效地进 行AD转换,并可连续获得数据。 2.3修正系统软件设计 修正系统软件包括上位机软件及单片机程 序。上位软件是采用VB6.O编写的,只需能读取 凡、E;两值,并能图形化显示即可,易于编写。 3实验及结论 本课题组的单频激光干涉仪DlsTAxL- LM一20B在标定行程为15omm的高精度定位工 作台时,由于行程较大,在对余弦误差进行校正之 前,激光束方向与工作台运动方向的平行度,是依 赖于干涉仪附带的光强检测器测定回程光强变化 来进行调整的;但其精度不高,在偏距p小于 0.smm时无法测出,相应带来的最大余弦误差为 0.2协m。采用了余弦误差修正系统,其四象限光 电探测器具有高灵敏度,具有5林m的分辨率。尽 管所采用的五维调节架的摆动误差为3011,依然 可以将偏距尸缩小至0.05mm之内,相应带来的 余弦误差可以不考虑了。通过该系统,可以非常 有效地消除大行程激光干涉测量所带来的余弦误 差,而且结构简单、紧凑。基于单片机的余弦误差修正系统@章海涛$上海大学精密机械工程系!上海 200072 @程维明$上海大学精密机械工程系!上海 200072 @欧阳航空$上海大学精密机械工程系!上海 200072激光干涉仪;;余弦误差;;单片机阐述了激光干涉测量技术是高精度位移测量的最主要方法之一,具有测量范围大、分辨率高和测量精度高等优点。然而,随着测量距离增大,各项误差也随之增大。其中,余弦误差就在大行程激光干涉测量过程中成为一项不可忽略的误差。分析了余弦误差产生的原因,并设计了一套余弦误差修正系统来消除其误差。1王伯雄.测试技术基础[M].北京:清华大学出版社,2003 2何希才.传感器及其应用[M].北京:国防工业出版社,2001 3孙俊人.新编电子电路大全(合订本)[M].北京:中国计量出 版社,2001 4梁亚林.12位4通道并行/串行模/数转换芯片ADS7824的原 理及应用[J].国外电子元器件,2003(9):52-55863计划项目:MEMS装配关键技术及设备(编号:2002AA404450) 获上海市重点学科基金资助。

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