一种用于高精度位移传感器的标定方法

1.本发明属于精密测量技术，具体涉及一种用于高精度位移传感器的标定方法。


背景技术：

2.在选择非接触式的传感器时，需要考虑的性能指标有传感器的角度适应性(tilt dependence)、量程、测量不确定度和分辨率。目前常用的非接触式高精度传感器所用原理主要有激光三角法、白光干涉、自动聚焦法、共焦距离测量法等四种。用激光干涉仪对20μm和350μm行程的共聚焦传感器进行校准为例，校准的主要内容有传感器相对于被测面的轴向运动、径向运动、被测样品材料、颜色、粗糙度、探头相对偏差/倾斜度、扫描速度等七个方面。科研工作者通过对传感器误差进行线性测试，得出的结论是随着传感器行程的增大测量误差也随之增大。根据精度溯源原理，理想的补偿方式是采用上级长度测量设备对传感器长度测量结果进行比对，如标准台阶、激光干涉仪等高精度设备。标准台阶对0～400μm传感器行程测量时是离散的，无法实现连续的对比校准。激光干涉仪测量时，需要搭建复杂的光路系统并统一测量基准，测量过程复杂。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种用于高精度位移传感器的标定方法，本发明能够广泛应用位移传感器的标定，标定过程简便易行，极大提高了传感器标定的精度与可靠性，实现较快的传感器行程误差补偿，提升传感器测量精度，本发明方法可用于高精度位移传感器在自身测量行程范围内的连续校准，具有操作简便易于补偿和控制的优点。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种用于高精度位移传感器的标定方法，包括：
6.1)选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行测量；
7.2)采用球面母线理想轮廓，与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配；
8.3)选取球面母线轮廓测量结果的一半数据，并将选取的一般数据与匹配后的球面母线理想轮廓点对点作差，得到被标定的高精度位移传感器对应测量行程位置的误差。
9.可选地，所述被标定的高精度位移传感器的精度位于1-100nm之间。
10.可选地，所述标准低矢高球面的矢量高度与被标定的高精度位移传感器的精度位于同一数量级。
11.可选地，所述标准低矢高球面的面形精度小于100nm。
12.可选地，所述标准低矢高球面的母线轮廓精度高于被标定的高精度位移传感器的精度。
13.可选地，所述被标定的高精度位移传感器的行程大于标准低矢高球面的矢量高度，且步骤1)中选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行
测量时，包括将被标定的高精度位移传感器的行程划分为多个行程段，然后分别针对各个行程段进行测量，最后再将各个行程段的球面母线轮廓测量结果进行拼接，得到全行程的球面母线轮廓测量结果。
14.可选地，所述将各个行程段的球面母线轮廓测量结果进行拼接是指对各个行程段依次采用两两行程段进行拼接，最终得到全行程的球面母线轮廓测量结果。
15.可选地，所述采用两两行程段进行拼接时，针对任意两行程段进行拼接的步骤包括：将其中一个行程段的球面母线轮廓测量结果进行平移，使其与另一个行程段的球面母线轮廓测量结果重叠，然后针对重叠区域取平均值处理，从而得到两行程段拼接后得到的行程段的球面母线轮廓测量结果。
16.可选地，步骤2)包括：采用半径从0不断变大的球面母线理想轮廓与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配，当某一半径的球面母线理想轮廓与测量得到的球面母线轮廓测量结果满足最小二乘定理时，用此时的半径根据球面公式得到理想球面轮廓，从而进一步根据标准低矢高球面的矢量高度得到对应的球面母线理想轮廓。
17.可选地，所述被标定的高精度位移传感器为非接触式位移传感器。
18.和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明包括选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行测量；采用球面母线理想轮廓，与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配；选取球面母线轮廓测量结果的一半数据，并将选取的一般数据与匹配后的球面母线理想轮廓点对点作差，得到被标定的高精度位移传感器对应测量行程位置的误差，通过上述方式，能够广泛应用位移传感器的标定，标定过程简便易行，极大提高了传感器标定的精度与可靠性，实现较快的传感器行程误差补偿，提升传感器测量精度，本发明方法可用于高精度位移传感器在自身测量行程范围内的连续校准，具有操作简便易于补偿和控制的优点。
附图说明
19.图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
20.图2为本发明实施例中传感器测量原理示意图。
21.图3为本发明实施例中标准凹球面参数示意图。
22.图4为本发明实施例中传感器测量误差示意图。
23.图5为本发明实施例中标准凹球面干涉仪面形测量结果示意图。
24.图6为本发明实施例中传感器误差补偿后轮廓仪测量结果示意图。
25.图7为本发明实施例中传感器误差补偿后轮廓仪测量结果示意图。
具体实施方式
26.下文将以共聚焦传感器(光谱共焦式传感器)作为高精度位移传感器的实例，对本发明用于高精度位移传感器的标定方法进行进一步的详细说明。
27.如图1所示，本实施例用于高精度位移传感器的标定方法包括：
28.1)选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行测量；
29.2)采用球面母线理想轮廓，与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配；
30.3)选取球面母线轮廓测量结果的一半数据，并将选取的一般数据与匹配后的球面母线理想轮廓点对点作差，得到被标定的高精度位移传感器对应测量行程位置的误差。
31.图2所示为传感器测量原理示意图，共聚焦传感器包含一系列光学聚焦透镜组(共聚焦镜头)，基于色散的原理可以将白色点光源色散成一系列具有不同波长的单色光，这些不同波长的单色光最后聚焦形成一系列同轴焦点，不同位置的焦点对应于不同波长的单色光，图中的λ1、λm、λs分别为不同波长的焦点1点、m点、s点对应的单色光形成的单色图像，其中1点为最靠近共聚焦镜头的焦点，s点为最远的焦点，m点为中间的焦点。同时当共聚焦传感器测量标准低矢高球面的被测表面时，只有在标准低矢高球面的被测表面可以聚焦的光通过反射再次聚焦至小孔处并由此进入光谱分析仪。光谱仪分析基于分析后显示的光谱曲线(图中为拱形曲线)的峰值来计算对应的波长，进而进行信号处理推导出被测表面的高度值。由于测量的轮廓高度值信息是基于波长的调制，因而共聚焦传感器对于被测面的倾斜、纹理、颜色等因素的影响并不敏感。共焦传感器测量范围为400μm，测量精度可以达到20nm～80nm，测量分辨率8nm，测量光斑直径为3.4μm，具有最大28
°
的角度测量范围。
32.作为第高精度的一般性定义，本实施例中被标定的高精度位移传感器的精度位于1-100nm之间。标准低矢高球面的“低矢高”是指低矢量高度，具体地，是指标准低矢高球面的矢量高度与被标定的高精度位移传感器的精度位于同一数量级。
33.本实施例中，标准低矢高球面的面形精度小于100nm。
34.本实施例中，标准低矢高球面的母线轮廓精度高于被标定的高精度位移传感器的精度。
35.具体地，本实施例中标准低矢高球面为口径60mm，矢高300μm的标准凹球面，球面面形精度为171nm pv，其参数如图3所示。
36.本实施例中，被标定的高精度位移传感器的行程(400μm)大于标准低矢高球面的矢量高度(300μm)，且步骤1)中选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行测量时，包括将被标定的高精度位移传感器的行程划分为多个行程段，然后分别针对各个行程段进行测量，最后再将各个行程段的球面母线轮廓测量结果进行拼接，得到全行程的球面母线轮廓测量结果。此外，若被标定的高精度位移传感器的行程小于标准低矢高球面的矢量高度(300μm)，则可以不采用分行程段测量，但是也可以采用分行程段测量。
37.本实施例中，将各个行程段的球面母线轮廓测量结果进行拼接是指对各个行程段依次采用两两行程段进行拼接，最终得到全行程的球面母线轮廓测量结果。
38.那就发现，数据的平移对传感器误差的补偿无影响，因此可利用平移来进行拼接，以提高拼接效率。本实施例中，采用两两行程段进行拼接时，针对任意两行程段进行拼接的步骤包括：将其中一个行程段的球面母线轮廓测量结果进行平移，使其与另一个行程段的球面母线轮廓测量结果重叠，然后针对重叠区域取平均值处理，从而得到两行程段拼接后得到的行程段的球面母线轮廓测量结果。例如，本实施例中由于低矢高凹球面矢高300μm，小于传感器行程400μm，因此需要分两次测量，将两次测量结果拼接构成传感器全行程的误差，第一段为0-300μm，第二段为100-400μm，利用100-300μm重合特征进行拼接，针对100-300μm重叠区域取平均值处理，从而得到0-400μm行程段的球面母线轮廓测量结果，如图4所示。结果表明，在400μm行程范围内，传感器在不同测量行程段的误差不同，在0-100μm行程
范围内的误差最大，约1.2μm误差；在100-350μm行程范围内误差与行程成线性关系，约0.9μm误差；在350-400μm行程内，误差最小，约0.1μm。
39.本实施例中，步骤2)包括：采用半径从0不断变大的球面母线理想轮廓与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配，当某一半径的球面母线理想轮廓与测量得到的球面母线轮廓测量结果满足最小二乘定理时，用此时的半径根据球面公式得到理想球面轮廓，从而进一步根据标准低矢高球面的矢量高度得到对应的球面母线理想轮廓。由于母线是左右对称的，取母线的一半数据，将实际测量结果与拟合结果作差。此时，由于测量凹球面口径仅为为30mm，加之被测工件为低矢高球面，因此直线度、振动等因素对母线测量结果的影响很小，若传感器没有测量误差，作差结果应小于100nm；若传感器存在测量误差，作差结果即为测量误差。
40.本实施例中，步骤3)选取球面母线轮廓测量结果时由于测量球面母线轮廓过程中要来回经历传感器行程，取一个方向的行程即可满足要求，即取球面母线轮廓测量结果的一半数据，选取原则，根据测量值的初值或末尾值开始，到最大值或最小值结束，可根据测量坐标的情况按需选择。
41.本实施例中，被标定的高精度位移传感器为非接触式位移传感器。
42.本实施例中，可利用对标准低矢高球面母线的测量，校准非接触传感器的测量误差，以提高测量精度。标准凹球面波面干涉仪测量结果(标准方法)如图5所示。然后利用传感器测量低矢高球面的面形，所在测量平台为高精度运动平台-轮廓仪(三维轮廓仪)，相对传感器没有运动误差。未补偿前，测量精度受到位移传感器测量误差的影响，面形结果较差，如图6所示；补偿后，凹球面测量结果几乎与干涉仪结果一致，高低分布一致，为了更加清晰地比较三维轮廓仪测量结果与干涉仪测量结果的差别，将三维轮廓仪测量结果导入zygo面形评价软件metropro中进行分析，最终得到的测量结果如图7所示。对比图5与图7可知，补偿后，干涉仪测量的面形结果与三维轮廓仪测量的面形结果基本一致，面形误差的pv(最大差别值/峰值)和rms(均方根)基本相同。
43.综上所述，本实施例方法包括选择标准低矢高球面的某一条母线，采用被标定的高精度位移传感器进行测量；采用球面母线理想轮廓，与测量得到的球面母线轮廓测量结果进行匹配；选取球面母线轮廓测量结果的一半数据，并将选取的一般数据与匹配后的球面母线理想轮廓点对点作差，得到被标定的高精度位移传感器对应测量行程位置的误差，通过上述方式，能够广泛应用位移传感器的标定，标定过程简便易行，极大提高了传感器标定的精度与可靠性，实现较快的传感器行程误差补偿，提升传感器测量精度，本发明方法可用于高精度位移传感器在自身测量行程范围内的连续校准，具有操作简便易于补偿和控制的优点。
44.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。