一种新型的光栅干涉比较仪，用于校准线性编码器的基线误差

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：A Novel Grating-Interferometric Comparator for Calibrating Baseline Errors of Linear Encoders

线性编码器纳米级校准方法研究

　　

摘要：

线性编码器的精确纳米级校准对于精密制造和检测至关重要。传统的校准方法使用激光干涉仪进行比较，但这些方法容易受到环境干扰以及空气折射率补偿不确定性的影响，因此难以同时实现操作的便利性和高精度的可追溯性。为了解决这个问题，提出了一种基于铬原子光刻（CAL）光栅的新型光栅干涉仪比较器。该比较器以光栅间距作为参考，消除了折射率校正的需求，从而提高了其稳健性和易用性。光栅间距由7S P4 Cr原子跃迁频率确定，该频率可以直接追溯到国际单位制（SI），相对标准不确定度为3.7×10^-8。为了验证所提出比较器的性能，建立了一个双追溯链比较系统，该系统结合了CAL光栅干涉仪（CGI）和稳定激光干涉仪（SLI）来同步校准线性编码器的基线误差。实验表明，在3毫米的行程范围内，两种校准方法的结果一致性良好，最大偏差为1.9纳米。此外，CGI显示出更小的标准偏差和更好的重复性。新型比较器的扩展不确定度为U(k) = 2.7纳米（其中L以米为单位）。这项研究为线性编码器提供了一种可追溯且抗干扰的校准解决方案，在工业纳米计量学领域具有巨大潜力。

引言

纳米级位移测量在先进制造和测量设备中起着关键作用[1]。在各种位移传感器中，使用物理光栅间距作为测量参考的光栅线性编码器具有纳米级分辨率、强大的抗干扰能力和多自由度可扩展性等优点[2]。这些光栅编码器已被广泛应用于半导体制造、精密设备和微机电系统等多个科学和工业领域。然而，光栅编码器的绝对精度主要受光栅刻度的基线误差限制，基线误差是指实际线位置与理想等距线位置之间的系统偏差。为了实现高精度测量，每个光栅编码器都必须进行基线误差校准[3]。因此，建立一个可追溯到国际单位制（SI）的高效校准系统对于确保精密制造领域的测量一致性和全球认可度至关重要[4]、[5]、[6]。