專利名稱：光柵莫爾信號微機綜合補償細分法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光柵位移測量系統(tǒng)及其裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種光柵莫爾信號微機細分方法及按此方法組成的光柵位移測量裝置。
光柵位移測量系統(tǒng)因其精度高、性能穩(wěn)定，在坐標測量儀器(包括單、雙，三坐標)和數(shù)控設(shè)備中獲得了大量、廣泛的應(yīng)用。為了滿足實際應(yīng)用對光柵設(shè)備的精度和分辨率越來越高的要求，光柵莫爾信號細分技術(shù)正日益顯示出其重要性。已成為進一步提高光柵測量系統(tǒng)精度和分辨率的關(guān)鍵。
目前國內(nèi)外已提出了很多光柵莫爾信號細分方法，如機械法、光學(xué)法、電子法、微機法等，其中微機細分法是最有前途的一種。然而目前國內(nèi)外已發(fā)表的所有微機細分法都是按光柵莫爾信號的理想表達式(y1＝Asinθjy2＝Acosθjθ＝2πX/W)進行細分的，如美國專利4225931其根本缺點是不能消除光柵莫爾信號質(zhì)量對細分精度的影響，所以理論上細分數(shù)(分辨率)雖然可以做很高，但要提高細分精度卻是很困難的，這就限制了光柵在更高精度位移測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的就是從根本上克服現(xiàn)有微機細分方法的不足，提出一種光柵莫爾信號微機綜合補償細分法。該方法的特征在于按光柵莫爾信號的實際表達式進行細分，實際表達式中反應(yīng)了評定光柵莫爾信號質(zhì)量的四項主要參數(shù)，即信號的直流電平漂移、幅度波動、兩路信號的等幅性誤差和正交性誤差。通過對實際光柵莫爾信號及其特征值的實時檢測，補償和細分融為一體的處理，消除光柵莫爾信號質(zhì)量對細分精度的影響，實現(xiàn)大幅度提高細分精度和有效細分份數(shù)(分辨率)的目的，為新一代更高精度光柵位移測量系統(tǒng)的實現(xiàn)提供一個新的途徑。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達到首先，根據(jù)光柵莫爾信號的特點，建立起光柵莫爾信號的實際表達式y(tǒng)1＝AO1(θ)+A1(θ)sinP1(θ) (1)y2＝AO2(θ)+A2(θ)cosP2(θ) (2)θ＝2πX/W(3)式(1)(2)(3)中隨位移X變化的參數(shù)有三個AO1(θ)，AO2(θ)為變化的直流分量;A1(θ)，A2(θ)為幅度調(diào)制函數(shù);P1(θ)，P2(θ)為相位調(diào)制函數(shù)，式(3)中的W為光柵柵距。由(1)(2)(3)式可解出細分值的計算公式為X1= (W)/(2π) sin-1(y1-［A1max(θ)+A1mim(θ)］/2)/(A1min(θ)) (4)X2= (W)/(2π) ｛cos-1(y2-［A2max(θ)+A2mim(θ)］/2)/(A2min(θ)) -△P(θ)｝ (5)△P(θ)＝P1(θ)-P2(θ) (6)在區(qū)間0～ (π)/4 ， (π)/2 ～ (3π)/4 ，π～1 (π)/4 ，1 (π)/2 ～1 (3π)/4 使用式(4)計算，在區(qū)間 (π)/4 ～ (π)/2 ， (3π)/4 ～π，1 (π)/4 ～1 (π)/2 ，1 (π)/4 ～2π使用式(5)計算細分值X。
其次，采用相應(yīng)的細分裝置(附圖1)對信號y1，y2;信號峰值A(chǔ)1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2mim(θ);兩路信號正交性誤差△P(θ)進行適時檢測。
最后，根據(jù)適時檢測結(jié)果，采用硬、軟件相結(jié)合的辦法實現(xiàn)按式(4)(5)(6)進行綜合適時補償和細分值計算，求得細分值X，再與對應(yīng)光柵一個柵距W為單位的大數(shù)值合成后，最終得到光柵位移值。
對本發(fā)明裝置結(jié)合附圖進行詳細說明如下如附圖1所示，光柵莫爾信號微機綜合補償細分裝置主要由信號凈化電路(①);帶直流電平漂移補償?shù)挠嫶髷?shù)(對應(yīng)一個光柵柵距W);電路(②③④⑤);帶直流電平漂移和幅度波動補償?shù)募毞蛛娐?⑥⑦⑧);光柵莫爾信號及其特征值檢測電路(⑨⑩)及單片微計算機(11)所組成。光柵莫爾信號y1，y2經(jīng)①凈化后濾除干擾并把信號噪聲壓低到一個分辨率所允許的水平，以保證后續(xù)電路處理精度和可靠性。⑨和⑩用來實時檢測y1、y2的特性值，即A1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2mim(θ)和P1(θ)，P2(θ)。并送單片微機(11)，經(jīng)處理后由(11)實時送出AO1(θ)＝〔A1max(θ)+A1mim(θ)〕/2，AO2(θ)＝〔A2max(θ)+A2mim(θ)〕/2經(jīng)⑤后至②得到經(jīng)過直流電平漂移補償?shù)墓鈻拍獱栒涡盘?，再?jīng)④⑤處理后送(11)存貯。經(jīng)(11)處理后的AO1(θ)，AO2(θ)，A1mim(θ)，A2mim(θ)經(jīng)⑧送⑦得對直流電平和幅度能自動跟蹤的A/D轉(zhuǎn)換信號送(11)作為細分用的采樣數(shù)據(jù)。兩路信號的正交性誤差△P(θ)在(11)內(nèi)進行細分值計算時修正。
圖2中的V1，V2分別由抗干擾濾波、放大和低通濾波器組成信號凈化電路。比較器T1，T2，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A1，D/A2，辨向電路、可逆計數(shù)器和鎖存緩沖器組成計大數(shù)電路，采樣保持器S/H1，S/H2，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D1，A/D2，數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A3，D/A4組成小數(shù)細分電路。單片微機8098中的S/H，A/D和小數(shù)細分電路在45°移相整形，有序脈沖發(fā)生電路，S/H指令鎖存電路的配合下共同組成y1，y2的峰峰值A(chǔ)1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)和相位角P1(θ)，P2(θ)檢測電路。所有數(shù)據(jù)的采集，反饋補償，細分值計算，各種操作控制以及大數(shù)和細分值的合成均由單片機8098來完成，然后把測量結(jié)果送顯示單元進行顯示。
圖3中只畫出了其中一個坐標的電路結(jié)構(gòu)示意圖，其他坐標的電路結(jié)構(gòu)與圖2完全一致。圖3與圖2區(qū)別是增加了兩個采樣保持器S/H3和S/H4，一個“模擬開關(guān)”，一個“模擬開關(guān)切換控制電路”和“測頭采樣脈沖形成與鎖存電路”專門用于處理三坐標測量機三維測頭的采樣信號。當測頭采樣信號到來時，通過“測頭采樣脈沖形成與鎖存電路”控制S/H3、S/H4鎖存y1，y2的瞬時值，并封鎖“鎖存緩沖器”，同時從HS1口向8098發(fā)出中斷申請，在中斷服務(wù)程序中讀取一個大數(shù)值和一個細分值，合成后送內(nèi)存，大數(shù)和細分值的具體處理方法同圖2，圖3兼有對位移的檢測，數(shù)字顯示和當“測頭采樣信號”到來時刻讀取該時刻位移值的雙重功能。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1.由于本發(fā)明的微機細分法是建立在對光柵莫爾信號實際表達式的基礎(chǔ)上，也就是按實際信號進行細分，因此對光柵莫爾信號質(zhì)量無嚴格要求，從而降低了對光柵付制造和裝配調(diào)整精度的要求，亦從整體上降低了成本，增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性，拓寬了應(yīng)用范圍。
2.由于本發(fā)明可以對評定光柵莫爾信號的質(zhì)量的四項主要參數(shù)進行實時有效的補償，因此在信號質(zhì)量較差的情況下仍然可以得到很高的細分精度和有效分辨率。對50線/mm光柵付，當信號在光柵全長上直流電平漂移、信號幅度波動、兩路信號的等幅性誤差在A/D輸入滿量程范圍內(nèi)波動30%，兩路信號的正交性誤差為5°時，當采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，細分數(shù)可做到500，分辨率為0.04μm，細分誤差±0.1μm。
3.由于對信號的實時檢測是采用有選擇性的提取特征值(峰峰值，45°時的相位角)的辦法，因此提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對50線/mm光柵，分辨率為0.04μm，位移速度可達到120mm/3。
4.本發(fā)明所提供的方法和裝置同樣可適用于具有相同信號特征的激光，感應(yīng)同步器和磁柵位移測量系統(tǒng)。


如下圖1體現(xiàn)光柵莫爾信號微機綜合補償細分法的裝置組成原理框圖。
圖2本發(fā)明用于光柵位移測量數(shù)字顯示裝置的電原理圖。
圖3本發(fā)明用于三坐標測量機光柵坐標測量系統(tǒng)的電原理圖。
權(quán)利要求
1.一種用于位移測量的光柵莫爾信號微機綜合補償細分方法，按照光柵莫爾信號的理想表達式y(tǒng)1=Asin(θ)；y2=Acos(θ)；θ=2πX/W進行細分，本發(fā)明的特征在于按照光柵莫爾信號的實際表達式對光柵莫爾信號進行細分，其表達式為y1=Ao1(θ)+A1(θ)sinP1(θ) (1)y2=Ao2(θ)+A2(θ)cosP2(θ) (2)θ=2πX/W (3)表達式中X表示位移量，W為光柵柵距，Ao1(θ)，Ao2(θ)為變化的直流分量；A1(θ)，A2(θ)為幅度調(diào)制函數(shù)，P2(θ)，P2(θ)為相位調(diào)制函數(shù)，由此表達式得到細分值號計算公式為X1= (W)/(2π) sin-1(y1-［A1max(θ)+A1mim(θ)］/2)/(A1min(θ)) (4)X2= (W)/(2π) ｛cos-1(y2-［A2max(θ)+A2mim(θ)］/2)/(A2min(θ)) -△P(θ)｝ (5)ΔP(θ)=P1(θ)-P2(θ) (6)在區(qū)間0～π/4，π/2～3π/4，π～1 (π)/4 ，1 (π)/2 ～13π3使用(4)式計算，在區(qū)間π/4～π/2，3π/4～π，1 (π)/4 ～1 (π)/2 ，1 (π)/2 ～2π使用(5)式計算細分值X，再與對應(yīng)光柵一個柵距W為單位的大數(shù)值合成后，最終得到光柵位移值，式中A1max(θ)，A1min(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)分別為A1(θ)，A2(θ)的峰峰值，ΔP(θ)為y1，y2兩路信號的正交性誤差。
2.一種對光柵莫爾信號進行微機補償細分的裝置，包括放大器，觸發(fā)器，A/D變換器，辨向電路，可逆計算器，計算機，顯示器等部分，其中由光柵付輸出的信號y1，y2經(jīng)放大器放大后分成兩路，一路經(jīng)觸發(fā)器整形成為脈沖信號，經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器輸入計算機，另一路經(jīng)A/D變換器輸入計算機，計算機與顯示器連接，本發(fā)明裝置的特征在于由以下各部分組成，(1)信號凈化電路，(2)帶直流電平補償?shù)恼坞娐罚?3)辨向和脈沖形成電路，(4)可逆計數(shù)器，(5)直流電平反饋信號形成電路，(6)采樣保持器，(7)帶直流電平和幅度補償?shù)腁/D，(8)直流電平和幅度反饋信號形成電路，(9)采樣保持器，(10)A/D變換器，(11)單片機，光柵莫爾信號y1，y2經(jīng)(1)濾波凈化濾除干擾，把信號噪聲壓低，提高信噪比，然后分成三路，一路經(jīng)(9)和(10)到單片機(11)，用于實時檢測y1，y2的特征值即A1max(θ)，A1min(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)和P1(θ)，P2(θ)，上述特征值送入單片機(11)經(jīng)處理后由(11)實時送出AO1(θ)＝〔A1max(θ)+A1min(θ)〕/2，AO2(θ)＝〔A2max(θ)+A2min(θ)〕/2，經(jīng)(5)后至(2)得到經(jīng)過直流電平漂移補償?shù)墓鈻拍獱栒涡盘?，?3)，(4)處理后送(11)存貯，經(jīng)(11)處理后的AO1(θ)，AO2(θ)，A1min(θ)，A2min(θ)經(jīng)(8)送入(7)得到對直流電平和幅度能自動跟蹤的A/D轉(zhuǎn)換信號送(11)作為細分用的采樣數(shù)據(jù)，兩路信號的正交性誤差△P(θ)在(11)內(nèi)進行細分值計算時修正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于位移測量的光柵莫爾信號微機綜合補償細分法及按此方法所組成的光柵位移測量裝置。其主要特點在于按光柵莫爾信號實際表達式進行細分，可以消除表征莫爾信號質(zhì)量的直流電平漂移、幅度波動、兩路信號的等幅性和正交性誤差對細分精度的影響，大幅度的提高細分精度和有效分辨率，降低對光柵副制造和裝配調(diào)整精度的要求。為新一代高精度，高分辨率的光柵位移測量系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個新的途徑。
文檔編號G01B11/02GK1068417SQ91104628
公開日1993年1月27日 申請日期1991年7月9日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月9日
發(fā)明者車仁生, 于海波, 陳麗艷, 車承鈞, 李學(xué)東, 楊文國 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)