專(zhuān)利名稱(chēng)：計(jì)量裝置及其校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)量裝置，特別是與那種用于測(cè)量工件表面特性的裝置有關(guān)。
通常，這種裝置包括一個(gè)沿工件表面作橫向往返移動(dòng)的觸針和一個(gè)傳感器，該傳感器產(chǎn)生一個(gè)依賴(lài)于觸針響應(yīng)表面特性(如紋理或形狀)的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。目前在市場(chǎng)上可買(mǎi)到的大多數(shù)用于測(cè)量表面特性的裝置只能測(cè)量表面紋理，這種測(cè)量需要很高的分辨力，與形狀測(cè)量分開(kāi)進(jìn)行，需要該傳感器有一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的工作范圍。這是因?yàn)槟壳霸谑袌?chǎng)上可買(mǎi)到的大多數(shù)用來(lái)檢測(cè)一個(gè)工件表面的裝置其工作范圍與分辨力之比相當(dāng)?shù)?。雖然還可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到可同時(shí)測(cè)量表面紋理和形狀的儀器，但這種儀器應(yīng)用了能提供所需高的工作范圍與分辨力之比的干涉測(cè)量傳感器，這種傳感器是很昂貴的，并且由于需要裝備各種光學(xué)元件和激光器，使得該儀器相當(dāng)笨重。
在市場(chǎng)上也可以買(mǎi)到價(jià)格較低的傳感器，特別是感應(yīng)式傳感器。這類(lèi)傳感器產(chǎn)生一種模擬輸出信號(hào)，為使其應(yīng)用于裝備有現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的裝置，這種模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)形式。目前價(jià)格合理的市售通行計(jì)量電路系統(tǒng)使用分辨力高于10比特的通行高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是不合適的，它不能在所需要的工作范圍內(nèi)提供足夠的分辨力以使表面紋理和形狀的測(cè)量能同時(shí)進(jìn)行。
因此，需要一種低成本的表面?zhèn)鞲衅餮b置，該裝置包括一個(gè)直接與一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接的傳感器，所述轉(zhuǎn)換器能將該傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有所要求的工作范圍和分辨力的數(shù)字形式，因此，不再需要目前通行的這種具有缺陷的測(cè)量電路系統(tǒng)。進(jìn)而，該裝置最好是能在所述表面?zhèn)鞲衅鞯母鞣N移動(dòng)速度下工作。因此，為滿(mǎn)足這種要求，所必須的是所述模/數(shù)換器應(yīng)當(dāng)可以精確地將模擬輸出信號(hào)數(shù)字化，該數(shù)字信號(hào)的頻率可以隨傳感器在工件表面上的移動(dòng)速度和工件表面的特性而變化。
有一種從英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)文本GB-A-2207511得知的電子測(cè)量?jī)x，該儀器的輸出變量(在這種情況下指的是信號(hào)的頻率)因S形誤差的原因，相對(duì)于移動(dòng)距離是非線(xiàn)性的。這要靠二次修正公式來(lái)加以修正。該二次修正公式的系數(shù)據(jù)說(shuō)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，但是并沒(méi)有給出這是如何進(jìn)行的。所述二次公式的用途看來(lái)是為了改善在其通常工作范圍內(nèi)該傳感器的精度，而不是為了擴(kuò)展其工作范圍。在英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)GB-A-2207511中所給出的那種傳感器具有一個(gè)在一條直線(xiàn)上移動(dòng)的磁芯，而且它與所述觸針的運(yùn)動(dòng)保持一致。這就避免了由于該磁芯的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)而引起的誤差，而這種誤差往往產(chǎn)生在一種磁芯和觸針在其中繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的傳感器中，結(jié)果，傳感器的誤差修正就變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。然而，這種磁芯縱向配置型部件的體積限制了該傳感器用來(lái)測(cè)量工件入口受限制的被測(cè)表面，例如一個(gè)環(huán)形工件的內(nèi)表面。
本發(fā)明的目的就是解決這些問(wèn)題。
一方面，本發(fā)明提供了一種用于計(jì)量?jī)x器的表面測(cè)試裝置，包括一個(gè)用于產(chǎn)生表示表面特性的模擬信號(hào)的傳感器;一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，該裝置包括一個(gè)可產(chǎn)生跟蹤由所述傳感器發(fā)出的模擬信號(hào)的數(shù)字輸出信號(hào)的跟蹤回路;以及用于補(bǔ)償該跟蹤回路頻率響應(yīng)不平直的補(bǔ)償裝置。
另一方面，本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)量裝置，在這種裝置中，利用一種價(jià)格相當(dāng)?shù)偷膫鞲衅?，例如感?yīng)式傳感器，提供了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的工作范圍與分辨力比。最好是借助于對(duì)由所述傳感器產(chǎn)生的補(bǔ)償操作以擴(kuò)大工作范圍來(lái)達(dá)到這一目的。
以下通過(guò)實(shí)例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是用來(lái)實(shí)施本發(fā)明的一種計(jì)量裝置。
圖2是在圖1的裝置中所涉及的電路的簡(jiǎn)化了的方塊圖。
圖3更詳細(xì)地表示了圖2電路的局部。
圖4是表示圖3電路詳細(xì)局部的方塊圖。
圖5是說(shuō)明圖3和圖4電路的頻率響應(yīng)的曲線(xiàn)。
圖6說(shuō)明圖4電路系統(tǒng)的變換功能。
圖7說(shuō)明圖3電路系統(tǒng)的變換功能。
圖8用圖示法表示一個(gè)與圖3的電路相組合的濾波器的工作狀況。
圖9是一幅說(shuō)明圖1的裝置中的觸針的移動(dòng)狀態(tài)圖，其目的在于使人們可以理解所述裝置的校正。
參考圖1和2，一種用于測(cè)量表面紋理和形狀的計(jì)量裝置包括一個(gè)用于支撐一個(gè)具有待測(cè)紋理的表面6的工件4的基座2，一個(gè)被固定在基座2上的垂直柱8支撐著一個(gè)可在垂直方向上移動(dòng)的托架10，在該托架上支撐著一個(gè)水平基準(zhǔn)桿12，另外還裝配著一個(gè)托架14以便沿所述基準(zhǔn)桿12作水平方向移動(dòng)，并且載帶有一個(gè)傳感器16，該傳感器具有帶觸針19的觸針臂18。一個(gè)在圖1中用示意圖標(biāo)出的馬達(dá)20被安裝在托架14上，用以使托架14沿基準(zhǔn)桿12作水平移動(dòng)。還有另外一個(gè)馬達(dá)21被安裝在托架10上，用以使托架10沿柱8作上下垂直移動(dòng)。
在該裝置工作過(guò)程中，托架10被設(shè)置在一個(gè)垂直位置上，以便使觸針19與表面6相接觸。然后，操縱馬達(dá)20使托架14沿基準(zhǔn)桿12作水平移動(dòng)，于是使觸針19在待測(cè)表面6上作橫向移動(dòng)。
一個(gè)線(xiàn)性光柵在圖1中用22表示，它具有一系列反射和不反射的條紋，固定在基準(zhǔn)桿12上，來(lái)自光源24的光被光柵22反射并被一對(duì)安裝在托架14上的光傳感器(26，27)所檢測(cè)。光柵也可以由一系列透明和不透明條紋所構(gòu)成，傳感器26、27用來(lái)檢測(cè)透過(guò)光柵的光。一個(gè)參考刻度尺(未示出)可以同傳感順26、27安裝在一起。當(dāng)托架沿基準(zhǔn)桿12移動(dòng)時(shí)，傳感器26、27分別在線(xiàn)28和30上給出正弦電信號(hào)。將傳感器26、27這樣固定，使線(xiàn)28和30上的信號(hào)相位差為90°。這些信號(hào)被輸入一個(gè)插入器32，該插入器使它們的頻率放大四倍。這可以按照以下文件中所描述的方式進(jìn)行，所述文件指的是與代理人的參考文件同時(shí)提交的并提出英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)8914417.4優(yōu)先權(quán)的專(zhuān)利申請(qǐng)文件。該同時(shí)提出的申請(qǐng)作為參考資料已包括于本申請(qǐng)文件之中。插入器32經(jīng)線(xiàn)34和36輸出已處理過(guò)的信號(hào)并將它們輸入一個(gè)過(guò)零檢測(cè)器38，該檢測(cè)器對(duì)應(yīng)于經(jīng)線(xiàn)34和36的每一個(gè)信號(hào)的每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)在線(xiàn)39上輸出脈沖。在一種市售傳感器裝置中，如果所述光柵具有8微米的柵距，那么由傳感器26、27發(fā)出的信號(hào)具有相應(yīng)于4微米的周期。而后，每當(dāng)托架14沿基準(zhǔn)桿12移動(dòng)0.25微米，在線(xiàn)39上就出現(xiàn)一個(gè)脈沖。
當(dāng)托架14沿基準(zhǔn)桿12移動(dòng)，并因此使觸針19沿工件表面6橫向往返移動(dòng)時(shí)，觸針19響應(yīng)表面6的表面紋理和形狀特點(diǎn)基本上作垂直方向運(yùn)動(dòng)。傳感器16是一種感應(yīng)式傳感器，對(duì)應(yīng)于這種基本上是垂直方向的運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生一種輸出信號(hào)，該信號(hào)被一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器40加以數(shù)字化處理并輸入一臺(tái)微處理機(jī)42，該處理機(jī)響應(yīng)線(xiàn)39上的脈沖，按托架14沿基準(zhǔn)桿12每移動(dòng)0.25微米間隔對(duì)來(lái)自傳感器16的數(shù)字信號(hào)采樣，并將最后得到的采樣信號(hào)存入存儲(chǔ)器44中。該裝置還包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)46。該計(jì)算機(jī)被編程對(duì)該裝置進(jìn)行總的控制，包括對(duì)馬達(dá)20和21的控制，并且處理存入存儲(chǔ)器44中的信號(hào)，以提供有關(guān)表面6的表面紋理和形狀的信息。還備有一鍵盤(pán)45用來(lái)作為計(jì)算機(jī)46的輸入裝置。表示表面特性的信號(hào)由計(jì)算機(jī)46輸出，經(jīng)由一個(gè)可濾去不需要的高頻噪聲的低通濾波器48，輸入一顯示裝置49，例如陰極射線(xiàn)管，以及一臺(tái)可用以制出工件表面圖形的打印機(jī)50。顯示裝置49和打印機(jī)50可以接收數(shù)字輸入信號(hào)。或者是，它們其中之一或它們兩者都可以接收來(lái)自一個(gè)任選數(shù)/模轉(zhuǎn)換器47的模擬信號(hào)，如圖2所示。
參考圖3，傳感器16包括一個(gè)磁芯52，該磁芯固定在觸針臂18的一端，并且當(dāng)觸針19沿工件表面橫向往返移動(dòng)時(shí)，該磁芯可以響應(yīng)觸針臂18另一端的觸針19的移動(dòng)而在箭頭54所示的其中一方向上移動(dòng)。與磁芯磁耦合的線(xiàn)圈56，58在點(diǎn)60處有中心抽頭，并形成一個(gè)橋路的兩臂，該橋路的另外兩臂由阻值相等的電阻器62、64構(gòu)成。一個(gè)參比振蕩器65提供參比振蕩信號(hào)Vsinwt給所述橋路，方案是這樣的，當(dāng)磁芯52處于中心位置，線(xiàn)圈56和58的阻抗相等，中心抽頭60與處于電阻62、44間的另一個(gè)中心抽頭66之間的電位差是零。如果磁芯52在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，在抽頭60和66之間就會(huì)出現(xiàn)一同相位的正弦電壓KVsinwt，其振幅KV(K在0與1之間)取決于磁芯運(yùn)動(dòng)時(shí)所通過(guò)的距離。如果磁芯52從中心位置在相反的方向上運(yùn)動(dòng)，在抽頭60和66之間則出現(xiàn)一反相位的電壓KVsinwt(K在0與-1之間)，其振幅-KV取決于磁芯52運(yùn)動(dòng)所通過(guò)的距離。連接抽頭60和66以將一計(jì)量信號(hào)KVsinwt提供給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器40的輸入端70、72，該轉(zhuǎn)換器在另外的輸入端74、76從振蕩器65還接收參比信號(hào)Vsinwt。電路40輸出一表示抽頭60和66之間的電壓振幅的數(shù)字信號(hào)φ以供微處理機(jī)42取樣。
所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器40可用以提供一個(gè)高分辨力的輸出信號(hào)，最好達(dá)到15比特，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
參考圖4，輸出信號(hào)的數(shù)字值保持在一個(gè)升降計(jì)數(shù)器100中。計(jì)量信號(hào)KVsinwt和參比信號(hào)Vsinwt分別被輸入緩沖放大器102、104中，這些被寄存的數(shù)值被輸入一個(gè)高精度的乘法器106中。該乘法器106也接收由計(jì)數(shù)器100輸出的數(shù)字輸出值φ，并且可分別用Cosφ和Sinφ乘計(jì)量信號(hào)和參比信號(hào)，以便分別在108、110線(xiàn)上產(chǎn)生輸出信號(hào)KVsinwt·Cosφ和Vsinwt·Sinφ。然后，在一個(gè)誤差放大器112中減去108、110線(xiàn)上的這些信號(hào)，以產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)Ve＝Vsinwt(Kcosφ-Sinφ)，這可以表示如下
式中
所述誤差信號(hào)Ve被輸入一個(gè)相敏檢測(cè)器114，在其中Ve被乘以所述經(jīng)緩沖放大的參比信號(hào)Vsinwt，以產(chǎn)生一信號(hào)Vpsd，由下式給出
該式還可以表示為
然后，將這一信號(hào)用一個(gè)濾波器116加以濾波，以除去頻率為2W的交流成分，結(jié)果留下了一個(gè)檢測(cè)器信號(hào)Vd，由下式給出
所述檢測(cè)器信號(hào)Vd被用作為電壓控制振蕩器(VCO)118的控制電壓，該電壓控制振蕩器通過(guò)經(jīng)線(xiàn)120輸出的信號(hào)控制計(jì)數(shù)器100的升降計(jì)數(shù)，并通過(guò)線(xiàn)122提供計(jì)數(shù)脈沖。所述VCO118是這樣設(shè)置的，當(dāng)Vd大于零時(shí)，輸出值φ增加，而當(dāng)Vd小于零時(shí)，輸出值φ減小，于是該電路趨向于減小Vd，結(jié)果Sin(θ-φ)趨向于零。所述數(shù)字輸出值φ是經(jīng)過(guò)一個(gè)寄存器124和三態(tài)輸出寄存緩沖裝置126從計(jì)數(shù)器100中獲得的。
如圖4所示的跟蹤式交流模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到(例如AP1304型轉(zhuǎn)換器和2S56型轉(zhuǎn)換器，可在下述地點(diǎn)買(mǎi)到Analog Devices，One Technology Way，PO Box 9106，Norwood，Massach usetts 02062，USA)，但是它們也存在以下問(wèn)題，即跟蹤電路中的增益作為加到70、72端的計(jì)量信號(hào)的調(diào)制分量的頻率的函數(shù)而變化。圖5用曲線(xiàn)A說(shuō)明這樣一個(gè)電路的一種典型的變換函數(shù)H(θ)＝φ/θ。為了滿(mǎn)足可以測(cè)量表面紋理和形狀兩種特性的計(jì)量裝置的需要，最好是該模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的增益對(duì)于從零到大約300HZ的調(diào)制分量的頻率范圍保持在一個(gè)常數(shù)值加或減1%之間。如從圖5可看到的那樣，所述曲線(xiàn)A不能滿(mǎn)足這種要求，因此圖5表明已知的跟蹤電路型的AC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上很不適合用作與本發(fā)明特別相關(guān)的表面?zhèn)鞲衅餮b置型的計(jì)量?jī)x器。圖5還用曲線(xiàn)B說(shuō)明了一種實(shí)際上是理想狀態(tài)的變換函數(shù)F(θ)＝ψ/θ。本發(fā)明的最佳實(shí)施例包括用于對(duì)曲線(xiàn)A的變換函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，在圖3中用300表示。所述補(bǔ)償裝置300包括一個(gè)微處理機(jī)302，它接收從與所述微處理機(jī)302聯(lián)接的跟蹤轉(zhuǎn)換器40和一個(gè)存儲(chǔ)器304發(fā)出的數(shù)字輸出信號(hào)。
在操作過(guò)程中，所述微處理機(jī)302讀出一系列從跟蹤轉(zhuǎn)換器40輸出的數(shù)字輸出值將其作為輸入信號(hào)，并將預(yù)定數(shù)目的這些輸入值存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器304中，計(jì)算輸出值ψ并將預(yù)定數(shù)目的這些輸出值也存儲(chǔ)入存儲(chǔ)器304中，根據(jù)現(xiàn)時(shí)輸入值和所存儲(chǔ)的輸入值以及所存儲(chǔ)的輸出值計(jì)算現(xiàn)時(shí)輸出值。更具體地講，所述計(jì)算是根據(jù)以下內(nèi)容進(jìn)行的。
所述跟蹤AC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換函數(shù)H(θ)＝φ/θ用圖6表示，很明顯，該函數(shù)為H(θ)＝ (φ)/(θ) ＝ (1＋ST1)/(1＋ST1+S2/Ka+S3T2/ka)其中S是拉普拉斯算子函數(shù)JW，T1和T2是時(shí)間常數(shù)，對(duì)于上述轉(zhuǎn)換器，其典型值分別是2.412ms和0.345ms，并且Ka是一個(gè)常數(shù)，對(duì)上述轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)通常是454821S-2。
對(duì)于組合的所述轉(zhuǎn)換器40和補(bǔ)償裝置300，理想的轉(zhuǎn)換函數(shù)F(θ)，如在圖5中用曲線(xiàn)B所表示的那樣，可以用下式表達(dá)F(θ)= (ψ)/(θ) = (WO2)/(S2+2P ·WO·S+WO2)
式中WO是理想的新的截止角頻率，例如2π·300弧度/秒，β是衰減因子。因此，所述補(bǔ)償裝置300所要求的轉(zhuǎn)換函數(shù)G(φ)由下式給出G(φ)＝ψ/φ＝F(θ)/H(θ)如在圖7中用圖所表示的那樣。
利用所述微處理機(jī)302和存儲(chǔ)器304執(zhí)行對(duì)轉(zhuǎn)換函數(shù)G(φ)的補(bǔ)償，需要將連續(xù)拉普拉斯表達(dá)式轉(zhuǎn)化為一種非連續(xù)的表達(dá)式，例如，可以將雙線(xiàn)性轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于該函數(shù)G(φ)，進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化以獲得非連續(xù)型的表達(dá)式(ψ)/(θ) = (a。·Z°+a1·Z-1+a2·Z-2+……+an·Z-n)/(b°·Z°+b1·Z-1+b2·Z-2+……+bn·Z-n)式中ψ表示補(bǔ)償裝置的輸出值，a0，a1，…，an，b0，b1，…bn是常數(shù)，而Z0，Z-1，Z-2，…，Z-n分別表示在該補(bǔ)償裝置的運(yùn)行過(guò)程中現(xiàn)時(shí)的，倒數(shù)第2，倒數(shù)第3，…，倒數(shù)第n+1項(xiàng)的采樣瞬時(shí)值，從而Z0φ表示補(bǔ)償裝置的現(xiàn)時(shí)輸入值，Z-1φ表示補(bǔ)償裝置的倒數(shù)第2項(xiàng)輸入值，Z0ψ表示從所述補(bǔ)償裝置中現(xiàn)時(shí)輸出值等等，依此類(lèi)推。為了進(jìn)一步解釋上述情況以及理想轉(zhuǎn)換函數(shù)的常數(shù)的產(chǎn)生，建議參考以下文獻(xiàn)Forsythe W，“計(jì)算數(shù)字濾波器常數(shù)的新方法”(“A New Method for the Computation of Digital Filter Coefficients”)，Simulation 441 23-31 January 1985。應(yīng)注意可將Z0，Z-1等作為單獨(dú)的數(shù)學(xué)實(shí)體進(jìn)行處理，并且它們的上標(biāo)0，-1等可以作為乘方幕來(lái)處理。這樣處理的結(jié)果是Z0＝1，因?yàn)槿我庵档牧愦畏蕉嫉扔?。
上述公式可以換一種方式用下面的方式來(lái)表達(dá)Z0ψ＝(1/b0)｛[a0·Z0φ+a1·Z-1φ+…+an·Z-nφ]-[b1·Z-1ψ+b2·Z-2ψ+…+bn·Z-nψ]}這樣可以看出，來(lái)自所述補(bǔ)償裝置300的現(xiàn)時(shí)輸出值Z0ψ是所述現(xiàn)時(shí)輸入值Z0φ以及最后的幾個(gè)輸入值Z-1φ至Z-nφ與最后的幾個(gè)輸出值Z-1ψ至Z-nψ的算術(shù)函數(shù)。補(bǔ)償裝置300可以用來(lái)進(jìn)行這種計(jì)算、其循環(huán)濾波操作可進(jìn)行較少次數(shù)的操作，例如，只使用最后五個(gè)輸入和輸出值，也就是說(shuō)取n＝5。然而，還可以使用非循環(huán)式或有限脈沖響應(yīng)技術(shù)，并且在這種情況下，可使用最后79個(gè)輸入值和輸出值。鑒于所涉及的處理量，所述補(bǔ)償裝置最好是使用一種有限脈沖響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波裝置，例如從美國(guó)Motorola公司(Motorola Inc，USA)可以買(mǎi)到的DSP56200型裝置。
所述FIR濾波器在圖8中用圖示法加以表述。所述現(xiàn)時(shí)輸入值Z0φ從微型計(jì)算機(jī)302輸入移位寄存器400，該寄存器存儲(chǔ)現(xiàn)時(shí)值和最后79個(gè)輸入值。另外一個(gè)移位寄存器402存儲(chǔ)最后79個(gè)輸出值。如所示那樣，每一個(gè)被存儲(chǔ)的輸入值和輸出值被乘以相應(yīng)的系數(shù)a0至a79和-b1至-b79，并且把乘積相加，所得到的和除以系數(shù)b0以產(chǎn)生現(xiàn)時(shí)輸出值Z0ψ，于是該值又被返輸回所述微處理機(jī)302中，并且還把它輸入移位寄存器402。系數(shù)a0至a79和b0至b79在該裝置重新設(shè)置初始值時(shí)從微處理機(jī)302中清除。
在圖5中，曲線(xiàn)C說(shuō)明了在一個(gè)試驗(yàn)電路中所獲得的補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)換器最終的增益。如所看到的那樣，曲線(xiàn)C保持在極限值加或減1%的范圍內(nèi)，直到一個(gè)非常接近300Hz的點(diǎn)。
如以上所見(jiàn)，如圖4所示的模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置可以在市場(chǎng)上買(mǎi)到，并且具有高穩(wěn)定工作性能。就15比特的輸出值而言，由這樣的一種電路可獲得的工作范圍與分辨力之比大約為32000。然而，一般來(lái)說(shuō)傳感器可提供具有良好線(xiàn)性的輸出值的工作范圍是太小了，不能滿(mǎn)足上述工作范圍與分辨力之比。所述輸出值的線(xiàn)性隨所使用的傳感器的精確性而變化。一種小尺寸的傳感器或許可能當(dāng)磁芯在離開(kāi)中心位置的任一方向上移動(dòng)0.1mm時(shí)具有0.1%的輸出誤差，這就是傳感器通常的工作范圍，而若按以上所給出的工作范圍與分辨力之比，可能需要磁芯由中心位置向上移動(dòng)0.5mm，此時(shí)誤差可能上升至5%。這樣的一種傳感器不能在整個(gè)工作范圍內(nèi)以可接受的精密水平提供高工作范圍與分辨力比。
由于磁芯位移大而出現(xiàn)的非線(xiàn)性可因許多因素而產(chǎn)生。一般說(shuō)，觸針19的運(yùn)動(dòng)使得觸針臂18圍繞在觸針19和磁芯52之間的一個(gè)支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在磁芯移動(dòng)時(shí)，磁芯52的必然會(huì)出現(xiàn)的弧形移動(dòng)使得它相對(duì)于線(xiàn)圈56、58的角度發(fā)生了變化。此外，大的移動(dòng)將使磁芯52向側(cè)向移動(dòng)，從而改變了它與線(xiàn)圈56、58之間的間隙。因此，大的移動(dòng)導(dǎo)致磁芯52與線(xiàn)圈56、58之間耦合狀態(tài)的非線(xiàn)性變化，并且這些變化在兩個(gè)線(xiàn)圈56、58上將不具有匹配效應(yīng)。圖3所示的線(xiàn)圈56、58的配置使得它能起一個(gè)差動(dòng)變送器的作用，在這種變送器中，磁芯52的移動(dòng)使得感應(yīng)在一個(gè)線(xiàn)圈中減弱而在另一個(gè)線(xiàn)圈中增強(qiáng)。然而，由于移動(dòng)幅度大，磁芯52可能變得只與這兩個(gè)線(xiàn)圈之中的一個(gè)有非常弱的耦合，結(jié)果這兩個(gè)線(xiàn)圈的感應(yīng)的變化不再匹配。另一種誤差可能由于觸針19的尖端尺寸有限而產(chǎn)生的。本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是補(bǔ)償了這種非線(xiàn)性，結(jié)果使傳感器16能夠應(yīng)用的整個(gè)工作范圍得到擴(kuò)展，以使能從精確使用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中獲得高的工作范圍與分辨力之比。
為了進(jìn)行這種補(bǔ)償，計(jì)算機(jī)46被編程以獲得一個(gè)表示磁芯52的真實(shí)位移的信號(hào)Z(并且因此獲得觸針尖端響應(yīng)工件表面特性的真實(shí)位移)，這是通過(guò)完成對(duì)用Z表示的信號(hào)的計(jì)算來(lái)進(jìn)行的，而所述信號(hào)Z是通過(guò)微處理機(jī)42從裝置40的輸出信號(hào)所獲得并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中的，計(jì)算公式如下Z＝Az+Bz2+Cz3式中，A、B和C是校正常數(shù)。在該機(jī)器工作之前，在一校正操作程序中計(jì)算這些數(shù)據(jù)，如圖9所示，在所述校正操作中，使觸針19沿一個(gè)校正球500的表面從位置502通過(guò)中心位置504到最終位置506移動(dòng)，這些位置是這樣設(shè)置的，使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，觸針的運(yùn)動(dòng)遍及它的全部工作范圍。
從圖9可看到觸針被支撐圍繞一支點(diǎn)508轉(zhuǎn)動(dòng)，并且其合成運(yùn)動(dòng)在Z方向(如圖9所示的垂直方向)伴隨有少量X方向(圖9中的水平方向)的運(yùn)動(dòng)，這從比較圖5中觸針19的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)位置就可以清楚地看出。微處理機(jī)42除去將所述傳感器的輸出值Z存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中之外，還可以有效地將所述觸針的位置X存儲(chǔ)于其中，所述X位置是以39線(xiàn)上的脈沖計(jì)數(shù)來(lái)表示的。然而，由于觸針尖端在X方向上的運(yùn)動(dòng)伴隨有該觸針繞508的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以最初存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中的這些X值是不正確的。
過(guò)去，這種X方向上的誤差的補(bǔ)償是通過(guò)調(diào)節(jié)所述觸針移動(dòng)速度或記錄裝置移動(dòng)速度來(lái)進(jìn)行的。這不能完全令從滿(mǎn)意，并且不能提供具有修正過(guò)的X值的信號(hào)。在所舉的實(shí)施例中，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中的X值是經(jīng)過(guò)修正的。計(jì)算機(jī)46借助于以下計(jì)算來(lái)達(dá)到這一目的X＝x+DZ+EZ2
X是經(jīng)過(guò)修正的X值，上述公式中的D和E也是校正常數(shù)。
在前述公式中的常數(shù)A、B、C、D和E是在圖9所示校正操作過(guò)程中按以下重復(fù)方式計(jì)算的。
步驟1，首先，該觸針19沿已知直徑R的校正球500作橫向往復(fù)移動(dòng)，對(duì)觸針信號(hào)進(jìn)行N次采樣，取信號(hào)Zi(i＝1，2，…，N)和相應(yīng)的X位置的Xi，并予以存儲(chǔ)。
步驟2、根據(jù)初始位置502處的Z1，X1值、中心位置504處的Z(N/2)，X(N/2)和最終位置處的ZN，XN，確定校正球500的近似中心座標(biāo)(a，b)。
步驟3，然后，令所述校正常數(shù)的初始值A(chǔ)＝1，B＝0，C＝0，D＝0，E＝0。
步驟4，利用這些校正常數(shù)來(lái)確定修正值Zi，Xi，并且計(jì)算一系列的估算值Ti如下Zi＝AZi+BZi2+CZi3i＝1至NXi＝Xi+DZi+EZi2i＝1至NTi＝{R2-(Xi-a)2-(Zi-b)2}/2 i＝1至N步驟5，對(duì)校正常數(shù)A至E，a和b的增量dA，dB，dC，dD，dE，da和db分別加以選擇以使平方差值F的總和減到最小，這里，F(xiàn)＝∑Fi2i＝1至N，以及Fi＝Ti-(Xi-a)da-(Zi-b)db-(Zi-b)zidA-(Zi-b)zi2dB-(Zi-b)zi3dC-(Xi-a)ZidD-(Xi-a)Zi2dE步驟6，校正常數(shù)及a和b增加一個(gè)增量，如下式new(A)＝old(A)+dA
new(B)＝old(B)+dBnew(C)＝old(C)+dCnew(D)＝old(D)+dDnew(E)＝old(E)+dEnew(a)＝old(a)+danew(b)＝old(b)+db步驟7，確定已修正過(guò)的絕對(duì)值的總合是否小于予先確定的允許偏差值的總合，即abs(dA)+abs(dB)+abs(dC)+abs(dD)+abs(dE)＜tol ？如果不是這樣，那么利用訂正過(guò)的校正常數(shù)new(A)至new(E)以及new(a)和new(b)重復(fù)步驟4至7;但是如果是那樣的話(huà)，則將各校正常數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器44中(最好是其中的一種非易失部分)，以便用于后續(xù)測(cè)量程序，并且結(jié)束校正操作。
顯然，對(duì)上述校正方法還可以作出各種改進(jìn)，例如在第一次進(jìn)行步驟7之前可以將步驟4至6連續(xù)進(jìn)行六次，并且如果說(shuō)重復(fù)二十次仍然不能給出一個(gè)允許范圍內(nèi)的修正，那么該校正程序可以終止，并可以就該程序的不收斂性發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
上述校正技術(shù)應(yīng)用了高斯-牛頓算法和QDR分解算法解非線(xiàn)性最小二乘方問(wèn)題，在以上兩種算法中應(yīng)用了Givens變換。關(guān)于這一點(diǎn)可參考以下文獻(xiàn)Kennedy，William J.，Jr.;Gentle，James E.“統(tǒng)計(jì)計(jì)算”(“Statistical Computing”)，(1980)，Marcel Dekker Inc。然而顯然還可以應(yīng)用另外的標(biāo)準(zhǔn)非線(xiàn)性最小二乘法解題技術(shù)。
在一種試驗(yàn)裝置中利用了這種技術(shù)，已經(jīng)達(dá)到具有37nm的分辨力的1.18mm的工作范圍，工作范圍與分辨力之比為32000，具有200nm的精度。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)裝置包括了一種如參考附圖所述的感應(yīng)式傳感器，這表明該項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)中的一種實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。
許多其他改進(jìn)方案也可以包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如可以包括量程轉(zhuǎn)換，并且如果需要的話(huà)，用公式Z＝Az+Bz2+Cz3來(lái)表示的補(bǔ)償方式也可以根據(jù)選定的范圍加以選擇性地應(yīng)用。例如，可在某些范圍不補(bǔ)償，或進(jìn)行不同形式的補(bǔ)償，如用Z＝Az+Bz2所表示的補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。
盡管如附圖所示最佳實(shí)施例所述觸針被裝配作轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需對(duì)其X方向上的移動(dòng)加以修正，但本發(fā)明也還可以應(yīng)用于這樣一種裝置，在該裝置中所述觸針的裝配方式可使其在Z方向上作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在這種情況下，對(duì)于X方向上移動(dòng)的修正將是不必要的。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)量裝置，包括一個(gè)用于產(chǎn)生一種表示表面特性的模擬電信號(hào)的傳感器(16)和一個(gè)為使傳感器信號(hào)數(shù)字化而設(shè)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(40)，其特征在于所述轉(zhuǎn)換器(40)在一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)具有非平直頻率響應(yīng)特性；該裝置還包括用于處理數(shù)字化信號(hào)的裝置(300)，以補(bǔ)償在所述特定范圍內(nèi)的所述非平直響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(300)被設(shè)置用于接受一系列來(lái)自所述轉(zhuǎn)換器(40)的采樣信號(hào)，并輸出一系列經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)牟蓸有盘?hào)，一個(gè)現(xiàn)時(shí)輸出采樣信號(hào)值是根據(jù)許多已接受的采樣信號(hào)和許多在先輸出的采樣信號(hào)來(lái)確定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(300)包括一個(gè)數(shù)字濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)換器(40)包括一個(gè)跟蹤AC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述傳感器(16)具有一通常的工作范圍，在這一范圍內(nèi)該模擬電信號(hào)相對(duì)于該傳感器所檢測(cè)的位置基本上呈線(xiàn)性關(guān)系;還具有一個(gè)超出通常范圍的擴(kuò)展工作范圍，在這一范圍內(nèi)該模擬電信號(hào)相對(duì)于該傳感器所檢測(cè)的位置呈非線(xiàn)性關(guān)系;并且還包括一用于處理模擬或數(shù)字信號(hào)的裝置(46)，以補(bǔ)償擴(kuò)展范圍內(nèi)的非線(xiàn)性，從而被補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相對(duì)于所述傳感器檢測(cè)位置在通常工作范圍和擴(kuò)展工作范圍內(nèi)基本上均呈線(xiàn)性關(guān)系;
6.一種計(jì)量裝置，包括一用于產(chǎn)生表示表面特性的電信號(hào)的傳感器(16)，和用于處理電信號(hào)以補(bǔ)償在所述電信號(hào)和所述傳感器檢測(cè)的位置之間的關(guān)系中的非線(xiàn)性問(wèn)題的裝置(46)，其特征在于所述傳感器(16)具有一個(gè)通常的工作范圍，在該范圍內(nèi)電信號(hào)相對(duì)于用所述傳感器檢測(cè)的位置基本上呈線(xiàn)性關(guān)系;還具有一個(gè)超出通常工作范圍的擴(kuò)展范圍，在該范圍內(nèi)電信號(hào)相對(duì)于所述傳感器檢測(cè)的位置呈非線(xiàn)性關(guān)系，并且所述用于處理該信號(hào)的裝置(46)將該信號(hào)加以處理以補(bǔ)償在所述擴(kuò)展范圍內(nèi)的非線(xiàn)性，結(jié)果被補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相對(duì)于該傳感器在所述通常范圍內(nèi)和所述擴(kuò)展范圍內(nèi)均基本上呈線(xiàn)性關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(46)可用來(lái)使用該信號(hào)的平方和一個(gè)校正常數(shù)B產(chǎn)生所述被補(bǔ)償信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之中任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(46)可用以使用該信號(hào)的立方和一個(gè)校正常數(shù)C產(chǎn)生所述被補(bǔ)償?shù)男盘?hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至7之中任意一項(xiàng)所述裝置，其特征在于該裝置還包括一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)所述傳感器沿所述表面橫向往返移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置(20)，所述傳感器具有一個(gè)與所述表面(6)相接觸的觸針(19)，該傳感器的觸針裝配在一個(gè)樞軸(508)上，該樞軸在其橫移運(yùn)動(dòng)方向上偏離所述接觸點(diǎn);裝置(26到38)用于提供橫移位置信號(hào)，該橫移位置信號(hào)表示出該樞軸(508)在橫移方向上的位置;以及用于處理所述橫移位置信號(hào)的裝置(46)，目的在于補(bǔ)償該樞軸在橫移方向上的位置和該接觸點(diǎn)在橫移方向上的位置之間的差因觸針(19)的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的偏差。
10.根據(jù)權(quán)利要求5至8之中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述傳感器包括一個(gè)與所述表面(6)接觸的觸針(19)，并且該裝置還包括一個(gè)用于使觸針沿該表面橫向往返移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置(20)以及根據(jù)該觸針同該表面的接觸點(diǎn)在橫移方向上的位置提供一個(gè)橫移位置信號(hào)的裝置(26至38)，在橫移方向上接觸點(diǎn)的位置隨它在朝向或背向該表面(6)的方向上的位置而變化，該裝置進(jìn)一步還包括用于處理橫移位置信號(hào)以補(bǔ)償在該接觸點(diǎn)位置上的偏差的裝置(46)。
11.一種計(jì)量裝置，包括一個(gè)用于產(chǎn)生一種表示表面特性的電信號(hào)的傳感器(16)，該傳感器包括一用于與表面(6)相接觸的觸針(19)，并且該裝置還包括一個(gè)用于使觸針(19)沿表面(6)橫向往返移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置(20)，以及根據(jù)觸針與表面的接觸點(diǎn)在移動(dòng)方向上的位置提供一種橫移位置信號(hào)的裝置(26至38)，接觸點(diǎn)在移動(dòng)方向上的位置隨它在朝向或背向表面(6)的方向上的位置而變化，其特征在于該裝置還包括一裝置(46)用以處理該橫移位置信號(hào)以補(bǔ)償該接觸點(diǎn)位置的偏差。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征在于所述觸針(19)裝配于一樞軸(508)上，該框軸在橫向移動(dòng)方向上偏離該接觸點(diǎn)，并且接觸點(diǎn)的移動(dòng)方向上的位置與它在朝向或背向表面(6)的方向上的位置的偏差包括因觸針轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的接觸點(diǎn)位置與樞軸(508)位置在移動(dòng)方向上的距離偏差，該橫移位置信號(hào)表示在橫移方向上樞軸(508)的位置，并且該處理裝置將橫移位置信號(hào)加以處理以補(bǔ)償所述距離偏差。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12之中任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(46)可用以使用所述傳感器信號(hào)和一個(gè)校正常數(shù)D;以產(chǎn)生補(bǔ)償?shù)臋M移位置信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13之中任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述處理裝置(46)可用以使用所述傳感器信號(hào)的平方和一個(gè)校正常數(shù)E，以產(chǎn)生補(bǔ)償?shù)臋M移位置信號(hào)。
15.根據(jù)前面所述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于所述傳感器(16)包括一對(duì)對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)圈(56，58)和一個(gè)可相對(duì)這對(duì)線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)的磁芯(52)，這對(duì)線(xiàn)圈被連接作為一個(gè)橋路的兩臂。
16.根據(jù)權(quán)利要求7、8、13和14之中任意一項(xiàng)所述的裝置的一種校正方法，包括以下步驟完成沿一個(gè)已知形狀的表面(500)的移動(dòng);存儲(chǔ)在移動(dòng)過(guò)程中所得到的一系列電信號(hào);對(duì)該個(gè)或每一個(gè)校正常數(shù)設(shè)定一個(gè)初始值;以及對(duì)該個(gè)或每一個(gè)校正常數(shù)確定一個(gè)修正值，從而使得經(jīng)利用該個(gè)或每一個(gè)修正過(guò)的校正常數(shù)補(bǔ)償處理過(guò)的存儲(chǔ)信號(hào)趨向于等于根據(jù)已知表面給出的期望值，由一能提供充分補(bǔ)償信號(hào)的裝置實(shí)現(xiàn)這一功能。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述修正測(cè)定步驟包括以下步驟計(jì)算涉及對(duì)該個(gè)或每一個(gè)校正常數(shù)的可變修正的每一存儲(chǔ)信號(hào)的差值，以及使用一最小二乘方解法以確定各修正值，該各修正值使所述差值的平方和減至最小。
全文摘要
一種用于測(cè)量一個(gè)表面的紋理和形狀的計(jì)量裝置，應(yīng)用了一種產(chǎn)生AC測(cè)量信號(hào)的感應(yīng)式傳感器，以及一種跟蹤AC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。為了避免在該表面上高速橫向移動(dòng)時(shí)由于傳感器的不平直的頻率響應(yīng)特性而引起輸出信號(hào)的誤差，該輸出信號(hào)用一個(gè)數(shù)字濾波器加以處理，以便提供一種組合頻率響應(yīng)特性，它在整個(gè)所要求的工作范圍內(nèi)都是平直的。為了避免由于該傳感器的非線(xiàn)性在輸出信號(hào)中所出現(xiàn)的誤差，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行一種二次方或三次方修正。對(duì)一種為獲得修正過(guò)程中所需的二次項(xiàng)和三次項(xiàng)的系數(shù)的裝置校正方法也給予了說(shuō)明。
文檔編號(hào)G01B7/00GK1048920SQ90106539
公開(kāi)日1991年1月30日 申請(qǐng)日期1990年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月23日
發(fā)明者約翰·戴維·加勒特, 保羅·詹姆斯·斯科特, 伊安·卡爾·布爾林 申請(qǐng)人:蘭克·泰勒·霍布森有限公司