微型高精度光栅位移传感器设计及误差补偿

微纳米精度下的位移测量在机械精密加工、半导体制造和工业自动化控制等领域具有至关重要的作用。光栅位移传感器相较于电位器式和激光干涉式等方法，具有结构简单、分辨率高和抗电磁干扰能力强等优势，已成为精密位移测量领域的重要方法。然而，目前成熟的光栅位移传感器大多由测尺和读数头共同组成，拥有较大的体积、较小的量程（低“量程-长度”比，Range-Length Ratio， RLR），如基恩士的GT2-S1的RLR仅为0.033，无法满足在受限空间场景下的应用。针对这一难题，本文提出并实现了一种新型的微型光栅位移传感器，设计“W”形反射式折叠光路结构以压缩传感器体积，将传感器探头集成到主体以实现高RLR，并利用变异粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法完成对光电探测信号的识别和误差补偿以实现高精度测量。经验证，提出的传感器在体积缩小到7 mm×8.5 mm×25 mm的情况下，量程为15 mm，RLR高达0.6，且误差优于1.1 μm。该光栅位移传感器具有尺寸小、高RLR、测量精度高和易于复用等特点，解决了狭小、受限空间下的在线间隙及位移测量难题。