一種高速絕對光柵尺的圖像采集電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高速絕對光柵尺的圖像采集電路。光柵尺條上刻有粗碼道和高精度絕對碼道，光柵尺條上還裝設有讀取圖像的光電轉換器及兩個LED光源，其中在光電轉換器上開有若干個讀取數據窗口、圖像采集電路包括有電路切換器、第一A\D轉換器、第二A\D轉換器、相位檢測器、第一位置檢測器、計數器、第二位置檢測器、速度檢測器、糾正處理器、相位糾正處理器、絕對位置檢測器、速度判別器、編碼解碼器、儲存器，本發(fā)明通過光電轉換器輸出的相位來細分相鄰絕對編碼刻線間距來提高光柵尺測量精度，實現讀數頭對低精度的增量碼道與高精度的絕對碼道宏微復合讀數，在低精度測量階段可以實現高速的測量速度，快接近端點時切換進行低速的高精度測量。
【專利說明】一種高速絕對光柵尺的圖像采集電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種高速絕對光柵尺的圖像采集電路，屬于高速絕對光柵尺的圖像采集電路的創(chuàng)新技術。
[0002]【背景技術】
1874年，瑞利(L.Rayleigh)第一次將莫爾條紋用于計量，從此有了莫爾計量學。1953年，英國Ferranti公司發(fā)明了倍數可逆計數系統，使得在與計量光柵相對應的電子學系統方面去得了突破性的進展。其公司的愛丁堡實驗室設計制造了第一個利用莫爾條紋系統測量位移的樣機。20世紀60年代，英國的NPL先后研發(fā)出了圓光柵與長光柵的照相分劃機裝置，攻破了光柵母版的制造難題。吉德(GuilD)、伯奇(Buech J.M)就莫爾條紋一系列理論進行了研究。與此同時，英國的Bussl A和Mullraith A.H等人發(fā)展了莫爾條紋的電子高倍頻技術。
[0003]隨著電子技術和激光技術的快速發(fā)展，光柵莫爾條紋技術在各個領域中被應用，比如計量測試行業(yè)、航空航天，工業(yè)機床及國防事業(yè)等。但在國內光柵測量方面的研究起步比較晚，與國際先進水平有一定差距。目前，安裝于中高檔數控機床全閉環(huán)用的絕對式光柵尺全部依賴進口，這已經成為制約我國高檔數控機床發(fā)展的技術瓶頸，現在我國增量式玻璃光柵尺的測量長度達到3m、鋼帶尺30m,準確度等級能達到±3um、土um、±10um,分辨力能達到0.1um,測量速度達到60m / min和120m / min。但技術的發(fā)展和實際應用要求的提高，對光柵測量設備的精度要求也越來越高。為此一方面可以選擇更高精度的光柵尺，但這要求提高光柵刻線密度，工藝難度存在瓶頸，實現起來成本昂貴，而且柵距越小，在使用的時候對光學系統，機械結構要求嚴格，降低了對使用環(huán)境的適用性。
[0004]而且增量光柵尺的標尺光柵和指示光柵之間的相對移動，在光源照射下形成莫爾條紋，莫爾條紋經過光電傳感器轉換為近似的正余弦電信號，就是原始的光柵掃描信號。然后采用不同的電子細分法，得到不同測量步距的計數脈沖信號，脈沖信號一般是是兩路正交的信號，這兩路信號接入后續(xù)的計數電路，計數器的計數值再乘以測量步距則為光柵尺的位移測量值。這種測量方法簡單易行，但是在數控機床使用中，要每次回到絕對零點附近重新定位，所以機床的工作效率難以大幅提聞。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種提高光柵尺的測量精度的高速絕對光柵尺的圖像采集電路。本發(fā)明通過光電轉換器輸出的相位來細分相鄰絕對編碼刻線間距來提高光柵尺測量精度，可以實現光柵尺傳感器通過增量碼確定粗略位置、絕對碼確定絕對位置、相位來確定最后精確位置，同時降低每幀圖像采集時間而實現超高幀頻圖像采集，本發(fā)明設計巧妙實用。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:本發(fā)明的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，所述光柵尺條上刻有粗碼道和高精度絕對碼道，光柵尺條上還裝設有讀取圖像的光電轉換器及兩個LED光源，其中在光電轉換器上開有若干個讀取數據窗口、圖像采集電路包括有電路切換器、第一 A\D轉換器、第二 A\D轉換器、相位檢測器、第一位置檢測器、計數器、第二位置檢測器、速度檢測器、糾正處理器、相位糾正處理器、絕對位置檢測器、速度判別器、編碼解碼器、儲存器，電路切換器分別與第一 A\D轉換器、第二 A\D轉換器及速度判別器連接，第二 A\D轉換器與相位檢測器連接，相位檢測器與第一位置檢測器連接，第一 A\D轉換器與計數器連接，計數器與第二位置檢測器連接，第二位置檢測器與速度判別器連接，第一位置檢測器與速度檢測器連接，速度檢測器與糾正處理器連接及與儲存器連接，糾正處理器與相位糾正處理器連接，相位糾正處理器與絕對位置檢測器連接，絕對位置檢測器與編碼解碼器連接，編碼解碼器與電路切換器連接，速度判別器、電路切換器通過控制由數據讀取窗口發(fā)生的經光電轉換得到4個超前或滯后90°相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信號與編碼刻線圖像信號C的通過或阻止來實現光柵尺粗測與精測得切換，第一A\D轉換器、第二A\D轉換器、第一位置檢測器、計數器、第二位置檢測器、速度判別器、相位檢測器檢測絕對編碼間的相位來對相鄰編碼的間距進行細分，編碼解碼器解碼得出編碼的位置。
[0007]上述光電轉換器上開有8個讀取數據窗口。
[0008]上述絕對位置檢測器還連接有數顯表。
[0009]上述當光電轉換器與光柵尺條相對運動的速度小于速度判別器內設定速度時，電路切換器通過阻止增量碼信號通過，允許絕對碼信號通過來控制低精度測量與高精度測量的切換。
[0010]上述絕對碼通過編碼解碼器解碼得出運動的光電轉換器當前絕對位置L= MxP,絕對編碼刻線后的精度通過相位檢測器與相位糾正處理器檢測對應相鄰編碼刻線的正弦和余弦波形相位來細分兩相鄰編碼刻線間距，最后兩個位置數值相加得出精確位置S。
[0011]
S=(B1Iln)P^ M^P` 其中為對應相鄰兩編碼刻線之間糾正后的相位,O <θ}< Ικ, ρ表示絕對碼刻線間距，該間距不變，μ表示編碼刻線依次編碼的排列號碼，當編碼解碼器接收到第》+1條編碼刻線的信息在編碼解碼器內進行解碼后，得到編碼刻線排列號為?，然后做一個乘法運算:η I P。
[0012]上述柵尺條上低精度碼道與高精度碼道的刻線都是等距為Μ、P的周期性排列的，并且通過LED光源照射周期性刻線，然后光反射到光電轉換器上的數據窗口上產生對應的周期性正弦波。。
[0013]本發(fā)明通過光電轉換器輸出的相位來細分相鄰絕對編碼刻線間距來提高光柵尺測量精度。本發(fā)明可以實現光柵尺傳感器通過增量碼確定粗略位置、絕對碼確定絕對位置、相位來確定最后精確位置，同時降低每幀圖像采集時間而實現超高幀頻圖像采集，本發(fā)明的光電轉換器圖像采集方法實現讀數頭對低精度的增量碼道與高精度的絕對碼道宏微復合讀數，在低精度測量階段可以實現高速的測量速度，快接近端點時切換進行低速的高精度測量。本發(fā)明還為了提高光柵尺的平均測量速度，并且通過讀數頭粗讀與精讀提高絕對光柵尺的測量分辨率。
[0014]本發(fā)明設計與其他技術相比，具有以下優(yōu)點:
I)本發(fā)明設計利用在粗測階段使用增量碼測量，精測階段使用利用絕對碼與絕對碼刻線間的相位檢測測量實現了宏微復合，大大提高了光柵尺的測量速度，從而提高了工業(yè)的生產效率；
1)本發(fā)明設計利用相位來細分相鄰絕對編碼刻線間距來提高光柵尺測量精度避免提高光柵尺測量精度，就要提高光柵刻線密度的工藝難度瓶頸；
2)本發(fā)明設計利用相位來細分編碼間的間距，不需要用利用光電轉換裝置工藝精度來細分編碼間的間距，從而避免了光柵尺測量精度對光電轉換裝置工藝精度的依賴。同時通過相位無限細分可是實現光柵尺更高精度的測量；
3)本發(fā)明利用一個光電轉換裝置通過上下開窗對一個尺條上的增量碼與絕對碼進行數據采集，避免了雙光柵尺的數據采集，同時又避免了雙光柵尺在粗測與精測切換時帶來硬件延時的誤差，從而提高了光柵尺的測量精度；
4)本發(fā)明利用一個光電轉換裝置通過上下開窗可以對雙碼道的光柵尺條進行讀數，避免了雙光電轉換裝置對雙編碼碼道讀數，節(jié)約了生產成本。同時通過多局部開窗提高對圖像的米集速度。
[0015]本發(fā)明設計巧妙、性能優(yōu)良、實用性強、非常適合于絕對光柵尺編碼圖像的高幀頻采集，高速的數據處理，從而實現高速光柵尺的高速測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的原理圖；
圖2為本發(fā)明的A1、B1信號波形圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，如圖1所示，本發(fā)明光柵尺條I上刻有等距的增量碼道6和等距的絕對碼道，增量碼道是粗測碼道，絕對編碼碼道7刻線是很密集的精測碼道。光柵尺條I上還裝設有讀取圖像的光電轉換5及兩個LED光源4，其中在光電轉換器5上開有若干個讀取數據窗口 2、3、圖像采集電路包括有電路切換器8、第一 A\D轉換器9、第二 A\D轉換器10、相位檢測器11、第一位置檢測器12、計數器13、第二位置檢測器
14、速度檢測器15、糾正處理器16、相位糾正處理器17、絕對位置檢測器18、速度判別器20、編碼解碼器21、儲存器22，電路切換器8分別與第一 A\D轉換器9、第二 A\D轉換器10及速度判別器20連接，第二 A\D轉換器10與相位檢測器11連接，相位檢測器11與第一位置檢測器12連接，第一 A\D轉換器9與計數器13連接，計數器13與第二位置檢測器14連接，第二位置檢測器14與速度判別器20連接，第一位置檢測器12與速度檢測器15連接，速度檢測器15與糾正處理器16連接及與儲存器22連接，糾正處理器16與相位糾正處理器17連接，相位糾正處理器17與絕對位置檢測器18連接，絕對位置檢測器18與編碼解碼器21連接，編碼解碼器21與電路切換器8連接，電路切換器8，速度判別器20、電路切換器8通過控制由數據讀取窗口 2、3發(fā)生的經光電轉換得到4個超前或滯后90°相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信號與編碼刻線圖像信號C的通過或阻止來實現光柵尺粗測與精測得切換，第一 A\D轉換器9、第二 A\D轉換器10、第一位置檢測器12、計數器13、第二位置檢測器14、速度判別器20、相位檢測器11檢測絕對編碼間的相位來對相鄰編碼的間距進行細分，編碼解碼器21解碼得出編碼的位置。本實施例中，上述光電轉換器5上開有8個讀取數據窗口
2、3。上述絕對位置檢測器18還連接有數顯表19。[0018]光電轉換窗口 2、3產生的相位差90°的A、B、A1、B1四個正弦或余弦信號與光電轉換器5輸出的編碼刻線信號C經過電路切換器8時，Al、B1、C信號被阻止，A、B信號通過電路切換器8輸入到模數轉換器轉9換成數字信號。得到的數字信號立即輸入到計數器13計算莫爾條紋周期個數N。計數結果N然后傳輸到第二位置檢測器14計算位移距離S，得到的位移值S輸入速度判別器20，通過速度判別器的運算，得到光電轉換器與光柵尺條的相對運動速度。光電轉換器5與光柵尺條的相對運動是一個先加速再勻速最后減速的過程，當接近目標位置時立即減速運動。在減速階段當速度減小到小于速度判別器20設定的速度閥值后，速度判別器20將發(fā)送信號到電路切換器8使A、B信號被阻止，Al、B1、C信號通過，進行高精度測量階段。
[0019]在高精度測量階段:A1、B1、C信號分兩路出發(fā)，一路信號C輸入編碼解碼器21，在解碼器21內對輸入的編碼信息進行解碼得出解碼值M。一路信號Al、BI依次輸入到第二A\D轉換器10進行模數轉換，轉換了的數字信號在相位檢測器11內進行相位計算得出對應的相位沒。得到的相位沒信號分三路進入下一電路器件，一路相位沒信號進入第一位置檢測器12進行計算并得出在任意周期內光電轉換器5與尺條上編碼刻線的相對位置ZC1,同時，儲存器22儲存此周期內h時刻光電轉換器5與光柵尺條I的相對位置夏C1并被速度檢測器15提取進行計算得出每個周期內光電轉換器5與光柵尺條I的相對運動速度_。一路相位沒信號與速度檢測器15計算的相對運動速度信息進入糾正處理器16進行計算處理得出相位誤差值遞。最后一路相位i信號與糾正處理器16計算的相位誤差值意信息進入相位糾正處理器17進行相位誤差補償運算得出相位糾正值5|。然后，編碼解碼器21解碼得出解碼值M與相位糾正值g在絕對位置檢測器(18)內進行運算得出光電轉換器的位移的絕對位置值。最后，絕對位移值輸入到數顯表進行數字顯示。
[0020]如圖1所示，沿著莫爾條紋，絕對編碼刻線與光電轉換裝置相對運動的方向在光電轉換器5上分別開4個光電轉換窗口 2和4個光電轉換窗口 3。且分別使這4個光電轉換窗口 2相聚1/4刻線間距D/4，4個光電轉換窗口 3之間相距1/4個絕對編碼間距p/4。則通過四個窗口的光電轉換得到4個超前或滯后的相位，即相位差為90°的正弦函數的變化過程。
[0021]上述光電轉換窗口產生的相位差90°的A、B、A1、B2四個信號經過電路切換器8時，AUB2被阻止，A、B信號通過電路切換器8輸入到模數轉換器轉9換成數字信號。
[0022]計數器13計算莫爾條紋周期個數N，第二位置檢測器14計算位移距離S，計算公式為:
S=(I)
其中D為光柵尺條6上增量刻線間距。
[0023]在減速階段當速度減小到小于速度判別器20設定的速度閥值后，速度判別器20將發(fā)送信號到電路切換器使A、B信號被阻止，Al、B2、C信號通過，進行高精度測量階段，LED燈4照射光通過絕對編碼刻線反射到4個窗口的光電轉換窗口 2產生相位相差90°的A1, B1兩個模擬信號，A1為正弦模擬信號，B1為余弦模擬信號，兩個模擬信號依次輸入到模數轉換器10，編碼刻線圖像信息C輸入編碼解碼器21。在解碼器21內對輸入的編碼信息進行解碼得出解碼值M，通過解碼值能夠知道編碼器的絕對位置，編碼器的絕對位置為:L-MxP(2)
第二 A\D轉換器10依次把兩個模擬相位信號轉換成數字信號，ApB1兩個模擬信號依次通過第二 A\D轉換器10轉換存在時間差Δ T，A1, B1兩個模擬信號的表達式為:
【權利要求】
1.一種高速絕對光柵尺的圖像采集電路，所述光柵尺條(1)上刻有粗碼道(6)和高精度絕對碼道(7 )，光柵尺條(I)上還裝設有讀取圖像的光電轉換器(5 )及兩個LED光源(4 )，其特征在于在光電轉換器(5)上開有若干個讀取數據窗口(2、3)、圖像采集電路包括有電路切換器(8)、第一 A\D轉換器(9)、第二 A\D轉換器(10)、相位檢測器(11)、第一位置檢測器(12)、計數器(13)、第二位置檢測器(14)、速度檢測器(15)、糾正處理器(16)、相位糾正處理器(17)、絕對位置檢測器(18)、速度判別器(20)、編碼解碼器(21)、儲存器(22)，電路切換器(8)分別與第一 A\D轉換器(9)、第二 A\D轉換器(10)及速度判別器(20)連接，第二 A\D轉換器(10)與相位檢測器(11)連接，相位檢測器(11)與第一位置檢測器(12)連接，第一 A\D轉換器(9)與計數器(13)連接，計數器(13)與第二位置檢測器(14)連接，第二位置檢測器(14)與速度判別器(20)連接，第一位置檢測器(12)與速度檢測器(15)連接，速度檢測器(15)與糾正處理器(16)連接及與儲存器(22)連接，糾正處理器(16)與相位糾正處理器(17)連接，相位糾正處理器(17)與絕對位置檢測器(18)連接，絕對位置檢測器(18)與編碼解碼器(21)連接，編碼解碼器(21)與電路切換器(8)連接，電路切換器(8)，速度判別器(20)、電路切換器(8)通過控制由數據讀取窗口(2、3)發(fā)生的經光電轉換得到4個超前或滯后90°相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信號與編碼刻線圖像信號C的通過或阻止來實現光柵尺粗測與精測得切換，第一 A\D轉換器(9)、第二 A\D轉換器(10)、第一位置檢測器(12)、計數器(13)、第二位置檢測器(14)、速度判別器(20)、相位檢測器(11)檢測絕對編碼間的相位來對相鄰編碼的間距進行細分，編碼解碼器(21)解碼得出編碼的位置。
2.根據權利要求1所述的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，其特征在于上述光電轉換器(5)上開有8個讀取數據窗口(2、3)。
3.根據權利要求1所述的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，其特征在于上述絕對位置檢測器(18)還連接有數顯表(19)。
4.根據權利要求1所述的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，其特征在于上述當光電轉換器(5)與光柵尺條相對運動的速度小于速度判別器(20)內設定速度時電路切換器(8)通過阻止增量碼信號通過，允許絕對碼信號通過來控制低精度測量與高精度測量的切換。
5.根據權利要求1所述的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，其特征在于上述絕對碼通過編碼解碼器解碼得出運動的光電轉換器(5)當前絕對位置L= M X P，絕對編碼刻線后的精度通過相位檢測器(11)與相位糾正處理器(17)檢測對應相鄰編碼刻線的正弦和余弦波形相位來細分兩相鄰編碼刻線間距，最后兩個位置數值相加得出精確位置S，
s = (θi/2π)P+ M X P 其中θi為對應相鄰兩編碼刻線之間糾正后的相位，O ≤θi≤2π, P表示絕對碼刻線間距，該間距不變，M表示編碼刻線依次編碼的排列號碼，當編碼解碼器(21)接收到第n+1條編碼刻線的信息在編碼解碼器(21)內進行解碼后，得到編碼刻線排列號為，然后做一個乘法運算：n X P
6.根據權利要求1所述的高速絕對光柵尺的圖像采集電路，其特征在于上述柵尺條上低精度碼道(6)與高精度碼道(7)的刻線都是等距為M、P的周期性排列的，并且通過LED光源(4)照射周期性刻線，然后光反射到光電轉換器上的數據窗口(2、3)上產生對應的周期性正弦波。
【文檔編號】G01D5/347GK103512500SQ201310321096
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權日:2013年7月26日
【發(fā)明者】陳新, 范朝龍, 王晗, 陳新度, 劉強 申請人:廣東工業(yè)大學