專(zhuān)利名稱(chēng)：軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測(cè)量裝置及其方法，尤其是涉及一種幾何量精密計(jì)量中的激光干涉、光柵等條紋信號(hào)的計(jì)數(shù)細(xì)分裝置及采用該裝置進(jìn)行軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分的方法
背景技術(shù)：
采用激光干涉、光柵、容柵、磁柵原理制成的位移測(cè)量裝置在科研及工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在測(cè)量過(guò)程中，基于上述原理制成的傳感器在理想情況下輸出兩路相位差為90°、幅度相同、直流偏置為零的理想信號(hào)。但實(shí)際上由于設(shè)計(jì)安裝等誤差因素的存在，從傳感器不易直接獲得兩路理想信號(hào)。然而一般號(hào)信號(hào)處理方法往往需要傳感器輸出為理想信號(hào)，否則很難達(dá)到較高的細(xì)分精度。例如《自動(dòng)化儀表》第31卷第5期“C0RDIC算法在光柵莫爾條紋細(xì)分中的應(yīng)用”中指出，細(xì)分計(jì)算需要兩路信號(hào)，需要在理想信號(hào)的情況下才能獲得較好的細(xì)分精度。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(CN200310110671. 5)“相位誤差不敏感的交點(diǎn)跟蹤式莫爾干涉條紋信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法及裝置”提出了一種能夠滿(mǎn)足于非理想信號(hào)的信號(hào)處理方法及裝置，將傳感器直接輸出的非理想信號(hào)通過(guò)軟件的計(jì)算處理進(jìn)行標(biāo)定后獲得誤差參數(shù)，最終從非理想信號(hào)中分離出理想信號(hào)再進(jìn)行雙路計(jì)算細(xì)分的系統(tǒng)。與采用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)細(xì)分方法類(lèi)似，其基本過(guò)程是將兩路信號(hào)組成分成8個(gè)區(qū)間，由8個(gè)區(qū)間的邏輯組合判斷及計(jì)算等流程來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)分和計(jì)數(shù)，這種方法雖然可以避免振動(dòng)和信號(hào)電子噪聲等導(dǎo)致的誤計(jì)數(shù)，但是其處理過(guò)程是以軟件的程序計(jì)算為主的方法，測(cè)前需要?dú)w一化等一系列復(fù)雜過(guò)程，其計(jì)數(shù)細(xì)分速度依賴(lài)于程序計(jì)算處理的速度，因而細(xì)分及計(jì)數(shù)的速度受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不依賴(lài)于軟件程序，通過(guò)硬件結(jié)構(gòu)解決干涉信號(hào)的高精度細(xì)分及計(jì)數(shù)速度受限的問(wèn)題。本發(fā)明提供一種軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行處理，該裝置包括位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路，其采用跟蹤脈沖對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)的特征位置進(jìn)行位置跟蹤；位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路，其對(duì)特征位置的跟蹤脈沖進(jìn)行編碼判斷并產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和位移方向信號(hào)；細(xì)分電路模塊，其對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)中的任意一路產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號(hào)和細(xì)分脈沖信號(hào)；大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將計(jì)數(shù)脈沖、位移方向信號(hào)、細(xì)分小數(shù)信號(hào)以及細(xì)分脈沖信號(hào)結(jié)合處理獲得位移值。其中，進(jìn)一步包括信號(hào)調(diào)理電路和至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其中，該信號(hào)調(diào)理電路對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行放大及調(diào)偏置；經(jīng)該信號(hào)調(diào)理電路處理后的兩路干涉條紋信號(hào)輸入到所述至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所述位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路。其中，所述至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將干涉條紋信號(hào)數(shù)字化，將數(shù)字化后的信號(hào)輸入到所述細(xì)分模塊。
其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路、所述細(xì)分電路模塊以及所述小數(shù)結(jié)合及位移解算電路位于同一 FPGA芯片上。本發(fā)明提供一種軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其包括利用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路獲得兩路干涉條紋信號(hào)大數(shù)特征；采用細(xì)分電路模塊對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)中的任意一路獲得干涉條紋小數(shù)特征；利用大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將大數(shù)和小數(shù)結(jié)合處理，輸出位移值。其中，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路對(duì)兩路干涉信號(hào)的特征位置進(jìn)行位置跟蹤，通過(guò)4路位置跟蹤脈沖分別對(duì)應(yīng)4個(gè)特征位置，對(duì)應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖輸入到位置跟蹤編碼及辨向計(jì)數(shù)電路。其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲(chǔ)，在計(jì)數(shù)位置處，位置脈沖通過(guò)辯向及計(jì)數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值進(jìn)行辯向計(jì)數(shù)，輸出方向性信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。其中，所述細(xì)分電路模塊同時(shí)產(chǎn)生16位細(xì)分小數(shù)信號(hào)和細(xì)分脈沖信號(hào)輸出，細(xì)分小數(shù)信號(hào)利用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)單路反正弦函數(shù)計(jì)算，細(xì)分脈沖信號(hào)由CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。其中，兩路路干涉條紋信號(hào)在進(jìn)入位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和細(xì)分電路模塊之前，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)所述兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行放大及調(diào)偏置。為實(shí)現(xiàn)采用硬件電路對(duì)干涉信號(hào)的抗振動(dòng)等干擾的正確可逆計(jì)數(shù)，以及解決在非理想信號(hào)情況下實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。本發(fā)明為基于激光干涉、光柵等測(cè)量原理的位移傳感器提供了一種采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的在非理想信號(hào)情況下進(jìn)行高速高精度細(xì)分計(jì)數(shù)方法及裝置。


圖I本發(fā)明的計(jì)數(shù)細(xì)分裝置的電路框圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖2兩路非正交干涉信號(hào)示意圖；圖3干涉條紋單路細(xì)分示意圖；圖4大小數(shù)結(jié)合示意圖；圖5信號(hào)調(diào)理電路示意圖；圖6位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路示意圖；圖7位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路示意圖； 圖8細(xì)分電路模塊示意圖；圖9大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并結(jié)合實(shí)際實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，下述的實(shí)施方式只是為了便于理解本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)發(fā)明內(nèi)容的具體限定。圖I為計(jì)數(shù)細(xì)分裝置的電路框圖結(jié)構(gòu)。如圖I所示，第一光電信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換電路I和第二光電信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換電路2分別接收激光干涉條紋信號(hào)，優(yōu)選該光電信號(hào)接收電路為光電探測(cè)器、光電二極管或光電接收器等光電轉(zhuǎn)換部件；兩路干涉條紋信號(hào)不需要正交等幅度，信號(hào)調(diào)理電路3將兩路所述條紋信號(hào)進(jìn)行放大和偏置以適應(yīng)高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器4、5的模擬輸入范圍和位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16的位置跟蹤過(guò)零觸發(fā)要求。對(duì)于信號(hào)調(diào)理電路3來(lái)說(shuō)，其作用是將光電信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換電路得到的干涉信號(hào)進(jìn)行放大及調(diào)偏置，以使得其在高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD的輸入范圍內(nèi)。其具體電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16實(shí)現(xiàn)4路位置跟蹤脈沖15，4路位置跟蹤脈沖15輸入到位置跟蹤編碼及辨向計(jì)數(shù)電路13，該位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路13通過(guò)對(duì)四路脈沖信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置脈沖的編碼判斷并產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖11和位移方向信號(hào)12。雙路高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD 4、5將信號(hào)調(diào)理電路3輸出的信號(hào)數(shù)字化，選擇兩路干涉條紋信號(hào)中的任意一路，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)分電路模塊6同時(shí)產(chǎn)生兩細(xì)分信號(hào)輸出，16位細(xì)分小數(shù)信號(hào)8和細(xì)分脈沖信號(hào)7。細(xì)分小數(shù)信號(hào)8利用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)單路反正 弦函數(shù)計(jì)算，細(xì)分脈沖信號(hào)7則是CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。用上面的兩種細(xì)分方法配合產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號(hào)和細(xì)分脈沖信號(hào)，兩種細(xì)分信號(hào)的產(chǎn)生全部依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)。如圖I所示，對(duì)一路干涉信號(hào)進(jìn)行處理后獲得的細(xì)分脈沖信號(hào)7、細(xì)分小數(shù)信號(hào)8和對(duì)兩路干涉信號(hào)進(jìn)行分析處理后獲得的計(jì)數(shù)脈沖11和位移方向信號(hào)12均輸入到大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路10，該大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路10將前面信號(hào)處理電路輸出的大小數(shù)信號(hào)做進(jìn)一步處理，并將處理結(jié)果輸出到位移顯示測(cè)量模塊中。對(duì)于兩路干涉條紋信號(hào)來(lái)說(shuō)，如果分別用矢量&表示，則干涉條紋信號(hào)可以用它們的合成矢量^ =4 + 來(lái)表示，如圖2，矢量；|逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)干涉正向移動(dòng)、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)干涉負(fù)向移動(dòng)，在2運(yùn)動(dòng)的軌跡21上的提取個(gè)4特征位置A、B、C、D。根據(jù)4個(gè)特征位置A、B、C、D形成的位置碼表采用硬件電路進(jìn)行邏輯判斷，從而進(jìn)行辯向與計(jì)數(shù)。如圖I中所示，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16對(duì)4個(gè)特征位置A、B、C、D進(jìn)行位置跟蹤，其中，通過(guò)4路位置跟蹤脈沖15分別對(duì)應(yīng)4個(gè)特征位置，對(duì)應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖15輸入到位置跟蹤編碼及辨向計(jì)數(shù)電路13，該位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路13通過(guò)對(duì)四路脈沖信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置脈沖的編碼判斷并產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖11和位移方向信號(hào)12。對(duì)于位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16，其在兩路干涉信號(hào)的特征位置A、B、C、D處產(chǎn)生位置脈沖，其如圖6所給出一路干涉信號(hào)產(chǎn)生位置脈沖A、C的電路結(jié)構(gòu)，另一路電路相同。電路的基本工作原理為首先將一路信號(hào)反相得到兩路相位相反的信號(hào)，然后用高速運(yùn)算放大器組成過(guò)零滯回比較將干涉信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)電路分別形成過(guò)零觸發(fā)脈沖信號(hào)A、Co對(duì)于位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生電路13，其具體的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路首先將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲(chǔ)，在計(jì)數(shù)位置A處，位置脈沖A通過(guò)辯向及計(jì)數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值，根據(jù)表2的邏輯進(jìn)行辯向計(jì)數(shù)，輸出方向性信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。通過(guò)兩路具有相位差的干涉信號(hào)的處理產(chǎn)生干涉大數(shù)。方法為軌跡跟蹤方法，具體是在干涉信號(hào)軌跡上的四個(gè)特征位置A、B、C、D分別形成軌跡跟蹤編碼，將每個(gè)位置產(chǎn)生的軌跡跟蹤位置編碼按時(shí)間順序鎖存至寄存器，每當(dāng)軌跡運(yùn)動(dòng)到位置A處進(jìn)即行邏輯判斷而可逆計(jì)數(shù)。在4個(gè)特征位置A、B、C、D，位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16會(huì)產(chǎn)生4路位置跟蹤脈沖15，這些脈沖形成4位二進(jìn)制編碼(AB⑶格式按D3D2D1D0)，具體編碼格式及邏輯分析分別見(jiàn)表I、表2，無(wú)論鎖存的個(gè)數(shù)，只在位置處A對(duì)最后鎖存的4個(gè)編碼進(jìn)行判斷，如符合表2計(jì)數(shù)狀態(tài)，則相應(yīng)計(jì)數(shù)，如不符合計(jì)數(shù)狀態(tài)，則說(shuō)明在A位置處或附近晃動(dòng)或還沒(méi)有走完一個(gè)完整的軌跡，則計(jì)數(shù)狀態(tài)保持，其過(guò)程依靠硬件電路實(shí)現(xiàn)。表I
權(quán)利要求
1.一種軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行處理，該裝置包括位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路，其采用跟蹤脈沖對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)的特征位置進(jìn)行位置跟蹤；位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路，其對(duì)特征位置的跟蹤脈沖進(jìn)行編碼判斷并產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖和位移方向信號(hào)；細(xì)分電路模塊，其對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)中的任意一路產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號(hào)和細(xì)分脈沖信號(hào)；大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將計(jì)數(shù)脈沖、位移方向信號(hào)、細(xì)分小數(shù)信號(hào)以及細(xì)分脈沖信號(hào)結(jié)合處理獲得位移值。
2.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其中，進(jìn)一步包括信號(hào)調(diào)理電路和至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求2所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其中，該信號(hào)調(diào)理電路對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行放大及調(diào)偏置；經(jīng)該信號(hào)調(diào)理電路處理后的兩路干涉條紋信號(hào)輸入到所述至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所述位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路。
4.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其中，所述至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將干涉條紋信號(hào)數(shù)字化，將數(shù)字化后的信號(hào)輸入到所述細(xì)分模塊。
5.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置，其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路、所述細(xì)分電路模塊以及所述小數(shù)結(jié)合及位移解算電路位于同一 FPGA芯片上。
6.一種軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其包括利用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路獲得兩路干涉條紋信號(hào)大數(shù)特征；采用細(xì)分電路模塊對(duì)兩路干涉條紋信號(hào)中的任意一路獲得干涉條紋小數(shù)特征；利用大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將大數(shù)和小數(shù)結(jié)合處理，輸出位移值。
7.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其中，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路對(duì)兩路干涉信號(hào)的特征位置進(jìn)行位置跟蹤，通過(guò)4路位置跟蹤脈沖分別對(duì)應(yīng)4個(gè)特征位置，對(duì)應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖輸入到位置跟蹤編碼及辨向計(jì)數(shù)電路。
8.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計(jì)數(shù)電路將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲(chǔ)，在計(jì)數(shù)位置處，位置脈沖通過(guò)辯向及計(jì)數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值進(jìn)行辯向計(jì)數(shù)，輸出方向性信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。
9.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其中，所述細(xì)分電路模塊同時(shí)產(chǎn)生16位細(xì)分小數(shù)信號(hào)和細(xì)分脈沖信號(hào)輸出，細(xì)分小數(shù)信號(hào)利用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)單路反正弦函數(shù)計(jì)算，細(xì)分脈沖信號(hào)由CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。
10.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分方法，其中，兩路路干涉條紋信號(hào)在進(jìn)入位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和細(xì)分電路模塊之前，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)所述兩路干涉條紋信號(hào)進(jìn)行放大及調(diào)偏置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種軌跡跟蹤式干涉信號(hào)計(jì)數(shù)細(xì)分裝置及方法。該裝置包括光電信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、至少兩個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、位置跟蹤脈沖發(fā)生電路、細(xì)分電路模塊、大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路等。其中，通過(guò)對(duì)雙路干涉信號(hào)分析處理產(chǎn)生大數(shù)、對(duì)單路信號(hào)細(xì)分產(chǎn)生小數(shù)，使得干涉信號(hào)的相位非正交誤差不會(huì)影響細(xì)分精度；采用基于特征位置的軌跡跟蹤方法實(shí)現(xiàn)干涉條紋計(jì)數(shù)，解決在在有振動(dòng)等干擾情況下的正確計(jì)數(shù)問(wèn)題；采用硬件電路實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤細(xì)分計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)速度只受硬件電路的頻響限制，因而可以用于高速位移測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102636127SQ20121012394
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者葉孝佑, 常海濤, 高宏堂 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院