專利名稱：一種大行程運動臺位移測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量方案，且特別涉及ー種位置敏感探測器陣列大行程位移測量裝置。
背景技術：
位置敏感探測器(PSD :Position Sensitive Detector)是一種對入射到光敏面光點位置敏感的PIN型光電ニ極管，通過平面擴散制造エ藝，由P、I、N三層構成，它可在垂直探測器平面的兩個方向上對入射光敏感。其以分辨率高、實用性強、響應速度快、后續處理電路結構簡單等優點，廣泛地應用于非接觸激光位移檢測系統中。在測量精度要求為微米級的運動控制系統中，PSD和CCD得到了廣泛的應用，均可以通過多個測量值解算得到運動臺的六自由度位移。二者優劣各異，相對而言，PSD的優勢在于分辨率高、后處理電路簡單、響應速度快以及無“盲區”，PSD的劣勢在于其線性度差、測量范圍有限。以準確性、實時性作為系統評價標準，PSD具有更大的應用前景。由于PSD的測量范圍有限，導致運動臺的行程受限。在大行程運動系統中，為了能提高PSD測量系統的測量范圍，増加運動臺運動行程，一般采取結合其他位移傳感器(電渦流、光柵尺等)的方式進行測量，而不同種類的測量元件，會増大信號通訊及處理的難度。
發明內容
為了克服現有應用中運動臺行程受限于PSD測量范圍的問題，本發明提供ー種能夠測量大行程運動臺位移的PSD陣列測量方案。為了實現上述目的，本發明的方案如下—種大行程運動臺位移測量方法，特征在于該方法包括將光路分配裝置固定于運動臺上，所述光路分配裝置生成多束相互平行的第一測量光，所述第一測量光與水平面平行；將多個位置敏感探測器組成線性陣列，固定于基臺上，所述位置敏感探測器的工作面和所述基臺的水平面垂直。所述多束第一測量光與所述位置敏感探測器線性陣列按照一定的方式排布，使得所述運動臺在運動區域內至少有一束第一測量光被所述位置敏感探測器線性陣列檢測到，所述排布方式按照如下公式計算k>^-
d當第一測量光不等間距，位置敏感探測器等間距排布吋，設相鄰位置敏感探測器的間距為τρ，有m束第一測量光，位置敏感探測器的測量范圍為d，則滿足m>—。
a將多對探測頭組成的線性陣列固定于基臺上，所述多對探測頭發射多束相互平行的第二測量光，所述探測頭組成的線性陣列用于檢測所述第二測量光是否被所述運動臺遮擋，根據分布于所述運動臺運動區域內的所述第二測量光的遮擋情況，得到所述運動臺大致位置。沿同一方向同時布置所述位移敏感探測器陣列以及所述探測頭線性陣列，根據所述位置敏感探測器的測量結果以及探測頭得到的所述運動臺大致位置，解算出所述運動臺在所述方向的長行程位移量，解算方法按如下公式解算設所述運動臺沿y方向做直線運動，此時位置敏感探測器陣列中第η個位置敏感探測器檢測到第一測量光，第η個位置敏感探測器的測量原點相對于基臺坐標系的坐標為( , y。，Ztl),所被檢測的第一測量光相對于第η個位置敏感探測器測量原點的坐標為(0，yi，Zl)，所述相鄰探測頭的間距為τ ω， 探測頭陣列有ω束光被遮擋，此ω對探測頭y方向的中心坐標為，運動臺質心位于形心處，其長度為1，則探測頭所測量的運動臺質心位
置誤差為±^^，且運動臺上發射被檢測的第一測量光位置與運動臺質心在y方向的
相對位置為，其誤差為±^^，結合光路分配裝置的安裝位置，可確定被檢測
到的第一測量光以及其相對于運動臺質心的精確位置，設相對于質心的位置為(も，yr, Zr)，故運動臺y方向位移為zyo+yry!·。ー種大行程運動臺多自由度位移測量方法，利用所述的運動臺單個直線位移測量方法，將所述的位置敏感探測器陣列和探測頭陣列組成的單個直線位移測量裝置分別布置于兩個方向，通過位置敏感探測器以及探測頭測量值解算出運動臺多個自由度位移量，按如下方式解算設所述的位置敏感探測器陣列和探測頭陣列組成的單個直線位移測量方案分別布置于X和y兩個方向，位于運動臺四周，根據所述的大行程位移測量方法，解算出運動臺χ和y方向的長行程位移，由于單片位置敏感探測器屬于ニ維小平面測量，故能測量運動臺在z方向上的小位移，同時根據每組直線位移測量方案得到的χ或y以及z方向的位移量，解算運動臺三個轉角方向的位移量，實現多自由度測量。所述光路分配裝置的一種實施方案包括1個激光器，出射一束測量光；多塊分光鏡組成線性陣列，其按一定間距比例固定放置于所述運動臺表面，所述分光鏡工作面和水平面垂直，所述分光鏡相互平行，所述激光器發射的測量光通過所述分光鏡線性陣列生成多束所述第一測量光。所述光路分配裝置的另ー種實施方案采用光纖分光器，所述光纖分光器固定于所述運動臺上，所述光纖分光器可產生所述多束第一測量光。所述探測頭陣列最小間距按照如下公式計算設t為相鄰所述探測頭陣列最小間距，P為所述第一測量光最小間距，則滿足t ( P。本發明的技術效果是實現了エ業精密運動領域中位置敏感探測器測量對運動臺長行程位移量的無接觸測量，適合運用于精密測量運動控制系統，降低了信號通訊以及處理的難度。
圖I是本發明位置敏感探測器陣列工作原理示意圖；圖2是本發明探測頭陣列工作原理示意圖；圖3a是本發明大行程運動臺位移測量示意圖；圖3b是本發明運動臺多自由度測量示意圖4是本發明位置敏感傳感器陣列ー種布置方法示意圖；圖中，101-運動臺；102-基臺；201-光路分配裝置；202_分光鏡；203_激光器；204_第一測量光；301-位置敏感探測器； 401-探測頭；402-第二測量光。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施方式作進ー步地詳細描述。大行程運動臺位移測量方法，所述測量方法主要包括光路分配裝置201、PSD301線性陣列和探測頭401陣列。如圖I所示，將光路分配裝置201固定于運動臺101上，所述光路分配裝置20)生成多束相互平行的第一測量光204，所述第一測量光204與水平面平行；將多個位置敏感探測器301組成線性陣列，固定于基臺102上，所述位置敏感探測器301的工作面和所述基臺102的水平面垂直；所述多束第一測量光204與所述位置敏感探測器301線性陣列按照ー定的方式排布，使得所述運動臺101在運動區域內至少有I束第一測量光204被所述位置敏感探測器301線性陣列檢測到，所述排布方式按照如下公式計算當所述第一測量光204等間距，所述位置敏感探測器301周期排布吋，設相鄰第一測量光204間距為Td，有m束第一測量光204，每個周期內位置敏感探測器301的數量為k個，位置敏感探測器301的測量范圍為d，則滿足k>-j-
a當所述第一測量光204不等間距，所述位置敏感探測器301等間距排布吋，設相鄰位置敏感探測器301的間距為τρ，有m束第一測量光204，位置敏感探測器301的測量范圍為山則滿足m>—。
d如圖2所示，所述探測頭401陣列，其固定放置于所述基臺102上，當不能保證所述PSD301陣列在所述運動臺101運動區域內任意位置均能檢測到至少2束所述第一測量光204時，此時僅依靠I束所述第一測量光204不能解算出所述運動臺101的位移量，為了解決此問題，可以采用如圖2所示的探測頭401陣列。所述探測頭401陣列可發射第二測量光402，并且所述探測頭401陣列可以檢測到所述第二測量光402是否被遮擋。所述第ニ測量光分布于所述運動臺101運動空間內，可以根據所述探測頭401陣列的測量值得到所述運動臺101的大致位置。在僅有一束所述第一測量光204被所述PSD301陣列檢測的情況下，可以根據所述探測頭401陣列得到的所述運動臺101大致位置推算出所測量的所述第一測量光204與所述運動臺101的對應位置，進而解算出所述運動臺101的精確位移。所述探測頭401陣列最小間距按照如下公式計算設t為每對所述探測頭401最小間距，P為所述第一測量光204最小間距，則滿足t彡p。如圖3a所示，沿同一方向同時布置所述位移敏感探測器301陣列以及所述探測頭401線性陣列，根據所述位置敏感探測器301的測量結果以及探測頭401得到的所述運動臺101大致位置，解算出所述運動臺101在所述方向的長行程位移量，按如下公式解算設所述運動臺101沿y方向做直線運動，此時位置敏感探測器301陣列中第η個位置敏感探測器檢測到第一測量光204，第η個位置敏感探測器的測量原點相對于基臺102坐標系的坐標為( , y。，Ztl)，所被檢測的第一測量光204相對于第η個位置敏感探測器測量原點的坐標為(0，y1； Z1),所述相鄰探測頭401的間距為τ ω，探測頭401陣列有ω束光被遮擋，此ω對探測頭y方向的中心坐標為，運動臺101質心位于形心處，其長度為1，則探測頭401
所測量的運動臺101質心位置誤差為±^^，且運動臺101上發射被檢測的第一測量
2
光204位置與運動臺101質心在y方向的相對位置為Jjy1Im，其誤差為-土レ'、，結合
光路分配裝置201的安裝位置，可確定被檢測到的第一測量光204以及其相對于運動臺101質心的精確位置，設相對于質心的位置為(Xy yy zj ,故運動臺IOly方向位移為w+yii。 如圖3b所示，利用所述的運動臺單個直線位移測量方法，將所述的位置敏感探測器301陣列和探測頭401陣列組成的單個直線位移測量裝置分別布置于兩個方向，通過位置敏感探測器301以及探測頭測量值解算出運動臺101多個自由度位移量，按如下方式解算設所述的位置敏感探測器301陣列和探測頭401陣列組成的單個直線位移測量方案分別布置于χ和y兩個方向，位于運動臺101四周，根據所述的大行程位移測量方法，解算出運動臺χ和y方向的長行程位移，由于單片位置敏感探測器屬于ニ維小平面測量，故能測量運動臺101在z方向上的小位移，同時根據每組直線位移測量方案得到的χ或y以及z方向的位移量，解算運動臺101三個轉角方向的位移量，實現多自由度測量。如圖4所示，給出了一種所述m個所述分光鏡202和所述η個PSD301的排布方式實施例，其中m = 6，且所述分光鏡202相互間距相等，PSD周期排布。取單個PSD的測量范圍d = 10mm,所述運動臺長度為200mm,也即相鄰所述第一測量光的間距
I 200τ < — =-= 33.3mm
m ο根據所述計算公式，可得到每個周期內所述PSD數目為k> — = — = 3
d 10即所述PSD301線性陣列以每三個為周期進行排布，此種排布方式能夠保證在所述運動臺101其運動區域內的任意位置有I束所述第一測量光204被所述PSD301線性陣列檢測到。采用循環移位的方式，假設所述運動臺101向右運動，現從左至右分別對所述第一測量光204和所述PSD301進行編號，所述第一測量光204 :ai、a2、a3、a4、a5、a6，所述PSD301
b2、b3、b4、b5、b6。當所述運動臺101在向右運動時,被檢測的所述第一測量光204和檢測到所述第一測量光204的所述PSD301對應關系如下所示(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)......如此循環。在此基礎上，如需增加量程，則需增加PSD301的個數并按照所述的排列方式布置即可。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。權利要求
1.一種大行程運動臺直線位移測量方法，特征在于該方法包括 1)將光路分配裝置(201)固定于運動臺(101)上，所述光路分配裝置(201)生成多束相互平行的第一測量光(204)，所述第一測量光(204)與水平面平行； 2)將多個位置敏感探測器(301)組成線性陣列，固定于基臺(102)上，所述位置敏感探測器(301)的工作面和所述基臺(102)的水平面垂直； 3)所述多束第一測量光(204)與所述位置敏感探測器(301)線性陣列按照一定的方式排布，使得所述運動臺(101)在運動區域內至少有I束第一測量光(204)被所述位置敏感探測器(301)線性陣列檢測到，所述排布方式按照如下公式計算 當所述第一測量光(204)等間距，所述位置敏感探測器(301)周期排布時，設相鄰第一測量光(204)間距為Td，有m束第一測量光(204)，每個周期內位置敏感探測器(301)的數量為k個，位置敏感探測器(301)的測量范圍為d，則滿足
2.一種大行程運動臺多自由度位移測量方法，特征在于該方法包括利用所述的運動臺單個直線位移測量方法，將所述的位置敏感探測器(301)陣列和探測頭(401)陣列組成的單個直線位移測量裝置分別布置于兩個方向，通過位置敏感探測器(301)以及探測頭測量值解算出運動臺(101)多個自由度位移量，按如下方式解算設所述的位置敏感探測器(301)陣列和探測頭(401)陣列組成的單個直線位移測量方案分別布置于X和y兩個方向，位于運動臺(101)四周，根據所述的大行程位移測量方法，解算出運動臺X和y方向的長行程位移，由于單片位置敏感探測器屬于二維小平面測量，故能測量運動臺(101)在z方向上的小位移，同時根據每組直線位移測量方案得到的X或y以及z方向的位移量，解算運動臺(101)三個轉角方向的位移量，實現多自由度測量。
3.根據權利要求I所述的一種大行程運動臺位移測量方法，其特征在于所述光路分配裝置(201)包括 1)一個激光器(203)，出射一束測量光； 2)多塊分光鏡(202)組成線性陣列，固定于所述運動臺(101)表面，所述分光鏡(202)工作面和水平面垂直，所述分光鏡(202)相互平行，所述激光器(203)發射的測量光通過所述分光鏡(202)組成的線性陣列生成多束所述第一測量光(204)。
4.根據權利要求I所述的一種大行程運動臺位移測量方法，其特征在于所述光路分配裝置(201)采用光纖分光器，所述光纖分光器固定于所述運動臺(101)上，所述光纖分光器產生多束互平行的第一測量光(204)。
5.根據權利要求I所述一種大行程運動臺位移測量方法，其特征在于所述探測頭(401)陣列的最小間距按照如下公式計算設t為相鄰所述探測頭(401)陣列最小間距，p為所述第一測量光(204)最小間距，則滿足t ( p。全文摘要
一種大行程運動臺位移測量方法，該方法包括光路分配裝置，位置敏感探測器陣列以及探測頭陣列；所述光路分配裝置生成的多束第一測量光與所述位置敏感探測器陣列按照一定的方式排布，保證所述運動臺在運動區域內任意位置均至少有1束第一測量光被位置敏感探測器陣列檢測到；能夠判斷光束是否被遮擋的所述探測頭陣列可用于所述運動臺位置的輔助測量；根據上述測量方案，可確定所述位置敏感探測器陣列所測的第一測量光對應的運動臺位置，進而解算所述運動臺位移量。本發明有效地擴大了位置敏感探測器測量范圍，實現了運動臺長行程位移量的測量。
文檔編號G01B11/02GK102661709SQ20121012197
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月23日 優先權日2012年4月23日
發明者劉召, 劉昊, 尹文生, 張鳴, 徐登峰, 朱煜, 楊開明, 穆海華, 胡金春, 蔣毅 申請人:清華大學