專利名稱：激光高精度標尺量度讀碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種量度工具，尤其是用激光讀碼的量度器。
普通的直尺、游標卡、千分卡、百分表、量角器等量度工具在測量尺寸時必須先讀出被測物所對應(yīng)的刻度的數(shù)，再根據(jù)刻度值的計算方法計算出最后結(jié)果，操作時容易讀錯或算錯，又比較麻煩，且受人眼分辯能力的限制，刻線的細度和密度難以做得過于精密，因而限制了這些量度工具的測量精度?，F(xiàn)有的激光量度器，如高分辯率激光衍射測量儀(CN10482634)，其技術(shù)方案為在這種儀器的遠場衍射光路中，安裝了光學(xué)空間濾波器，遠場衍射光通過濾波器后被送入激光信號分析儀，分析儀中包括低噪聲微分、非線性補償和計數(shù)器等電路。其不足之處在于所用的激光功率較大，成本高，體積大，不便攜帶；若用于普通工件的測量，因工件尺寸變動大、誤差大、表面粗糙，需反復(fù)調(diào)整儀器，比較費時費力，甚至無法測量，放該儀器只適宜于精密工件的測量和分選。
本實用新型的目的是針對上述測量儀的不足之處，提供一種裝于普通測量儀器上的激光讀碼裝置，它是一種可用于普通相精密工件測量的，并具有體積小便于攜帶、直接讀數(shù)、便于自動化測量、誤差可校正特點的激光高精度標尺量度讀碼器。
本實用新型所說的讀碼器是由刻度信號板1及信號處理電路組成，信號處理電路由絕對零位檢測光電二極管2、復(fù)位信號電路3、加/減計數(shù)器4、編碼電路5、譯碼器6、顯示器7、方向預(yù)測比較電路8、放大整形電路9、激光頭10組成，其特征在于刻度信號板1是安裝在普通量具的標尺或標盤上的有三行以上的刻度線19的雙層板，其表層24為透明材質(zhì)，其底層25為高反光鍍層，位于兩層之間的刻度線19由1-6條信號坑18組成，這些信號坑18的尺寸是相同的，其寬度、深度取值受激光波長、光束直徑和表層材料的影響，當激光波長為500-800A、光束聚焦點直徑為0.5-1um、表層為0.5-2mm的透明材質(zhì)層時，由于每條信號坑18的尺寸及其橫向間距取決于激光頭10的光束間距及激光頭10讀取信息時的軌跡偏差，故每個信號坑18的長、寬、深分別為10-30um.0.25-0.5um.0.1-0.5um；同一刻度線19中的信號坑18橫向間距為0.25-0.5um；每兩條刻度線19的間距取決于信號坑1 8的條數(shù)及刻度值的大小，取值為1-10um；按規(guī)定的正向讀碼方向，三行以上的刻度線19的排列可按組合方式排列，據(jù)此可判定刻度線的移動方向。
上述刻度信號板1置于激光頭10的正前方2-4毫米，激光頭10的三束以上激光分別對準相應(yīng)的刻度線19中部，光電二極管分連接到放大整形電路9的輸入端，放大整形電路9的B、C二個輸出端分別與方向預(yù)測比較電路8的N、M輸入端相連接，放大整形電路9的A輸出端分別與方向預(yù)測比較電路8的時鐘控制端CP和加/減計數(shù)器4的計數(shù)端T相連接，方向預(yù)測比較電路8的Q3輸出端與加/減計數(shù)器4的加/減控制端X相連接，加/減計數(shù)器4的輸出端連接編碼電路5，其輸出端與譯碼器7和顯示器6依次相連接，方向預(yù)測比較電路8的RD復(fù)位端和加/減計數(shù)器的RD復(fù)位端共同接到復(fù)位信號電路3的輸出端Z上，復(fù)位信號電路3的輸入端連接絕對零位檢測光電二極管2。
上述方向預(yù)測比較電路8的M、N輸入端接與非門17的輸入端、與非門17的輸出端和N輸入端再接入與門11的輸入端，這兩個門電路的輸出端分別接到D型觸發(fā)器12、16的D1、D2輸入端，兩個D型觸發(fā)器的CP時鐘控制信號端與放大整形電路9的A輸出端相連接，兩個D型觸發(fā)器的RD復(fù)位端接到復(fù)位信號電路3的Z輸出端上，D型觸發(fā)器12、16的兩個Q1、Q2輸出端分別和M、N兩路信號線一起分別接到異或門13、15的輸入端上，兩個異或門的輸出端接到一個或非門14的輸入端上，或非門14的輸出端Q3就是上述方向預(yù)測比較電路的輸出端。


圖1是本實用新型所說的讀碼器的激光信號處理電路圖。
圖2是本實用新型所說的刻度信號板正面局部放大圖。
圖3是本實用新型所說的方向預(yù)測比較電路9的電路圖。
圖4是方向預(yù)測比較電路的邏輯真值表。
圖5是信號放大整形電路。
下面通過實施例結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。
如圖1所示，本實施例中的刻度信號板1是安裝在普通量具的標尺或標盤上的有A、B、C三行刻度線19的雙層板，其表層24為無色透明玻璃或塑料，其底層25為鎳或鋁高反光鍍層，位于兩層之間的刻度線19由2條信號坑18組成，這些信號坑18的尺寸是相同的，其寬度、深度取值受激光波長、光束直徑和表層材料的影響，當激光波長為780A、光束聚焦點直徑為1um、表層為1.5mm的無色透明塑料時，信號坑的寬度為0.5um，深度為0.12um，同一刻度線19中的信號坑18橫向間距為0.5um，每條信號坑18的長度取決于三束激光的間隔及激光頭讀取信息時的軌跡偏差，一般取30um，每兩條刻度線19的間距取決于信號坑18的條數(shù)及刻度值的大小，一般取1.5um；取向右為正向讀碼方向，如圖1中Ⅰ位置A行有刻度線，Ⅱ位置A.B行有刻度線，Ⅲ位置A.B.C均有刻度線。也可按其它的組合排列。
圖2中的激光頭10可用CD激光唱機的唱頭，例如國產(chǎn)唱機激光頭GJ7830，或進口唱機激光頭HL7801等；為降低成本也可特制，因為安裝本實用新型的量具(如游標卡、百分表、螺旋千分卡等)的加工精度都較高，激光頭相對刻度板移動時晃動較小，讀碼時只讀單一的刻度板，采取加寬三條光束的間距、加長信號坑的長度、增加同一刻度線中信號坑的條數(shù)的措施后，可以省去激光唱頭中的自動聚焦和自動尋跡機構(gòu)。
如圖5所示，上述激光信號處理電路中的放大整形電路9，選用國產(chǎn)CF124、FX111、進口LM124、NE5532等運算放大器組成電流-電壓變換、電壓放大、斯密特整形電路。方向預(yù)測比較電路中的各種邏輯電路可根據(jù)工作電壓選用74系列TTL數(shù)字電路、4000系列CMOS數(shù)字電路或其它系列數(shù)字電路構(gòu)成。加/減計數(shù)器4可選用74系列的74HC191、74HCT191或4000系列的CH4516B、CD4516B等產(chǎn)品。編碼電路5用ROM只讀存貯器組成，將計數(shù)器的輸出值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。譯碼器7可選74系列的74246、74LS247、4000系列的CC4055B、CD4054B等器件。顯示器可選用液晶或輝光顯示器。為了減小功耗和體積也可將上述電路集成為專用集成電路，使整個激光頭及信號處理電路部份的尺寸進一步縮小。
本實用新型所說的讀碼器是這樣工作的利用現(xiàn)有光盤信號刻錄和讀出技術(shù)，將刻度信號板1上的“信息坑”刻錄到信號板上，將制作好的刻度信號板安裝到測量儀器的標尺上(比如游標卡的主尺上)，將激光頭安裝到適當部位(比如游標卡的副尺上)，由于主、副尺之間有一定的配合間隙，因此激光頭在移動過程中會有一定的上下波動，垂直排列的三個激光頭也會有一定的擺動，為降低成本同時保證激光頭能準確讀到刻度信號板上的信號，采取了增加每一條刻度線上的信息坑條數(shù)，加長信息坑長度，增加刻度線間距等措施。如果主、副尺間隙為30um，副尺長度為30mm，激光束間距為30um，則激光頭上下偏移量最大為30um，垂直偏移量最大為3/100um，按圖1所示尺寸制作的刻度是能被激光頭準確讀出的。測量時當刻度信號板相對激光頭有3微米的移動量時，激光頭能將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大整形電路9后形成電脈沖，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后，以計數(shù)器的值為地址，查出只讀存貯器中對應(yīng)的刻度值，經(jīng)譯碼后由顯示器將結(jié)果顯示出來。把這一讀碼器用于經(jīng)改造的普通游標卡尺上，可將其測量精度提高到3微米。用于經(jīng)改造的百分表上(將移動量放大10倍)，可將其測量精度提高到0.3微米以上，用于機械式尺寸比較儀上(將移動量放大100倍)，可以將其精度提高到0.03微米以上。
用普通光電計數(shù)電路只能記錄刻度信號所對應(yīng)的電脈沖的個數(shù)，不能判別刻度信號的移動方向，而在測量中刻度尺需作雙向移動，因此，無法滿足測量要求。本實用新型采用了三束激光同時讀碼A光束所產(chǎn)生的電脈沖作計數(shù)脈沖和控制脈沖；B、C光束所產(chǎn)生的電脈沖為方向判別脈沖，通過方向預(yù)測比較電路處理后形成控制信號控制加/減計數(shù)器的計數(shù)值，解決了刻度板的雙向移動計數(shù)問題。例如(如圖2所示)設(shè)激光照到刻度坑時其輸出電平為1，沒有照到時為0。在Ⅰ位置時A=1,B=0,C=0,A脈沖過后，方向預(yù)測比較電路中的兩個D觸發(fā)器的Q1=1,Q2=0(Q1=C·B，Q2=Q1·B)寄存了(預(yù)設(shè))下一個(Ⅱ位置)A脈沖到來時B、C的狀態(tài)。如果刻度信號板真的移動到Ⅱ位置時，這時讀出的B=1、C=0，與Q1、Q2預(yù)設(shè)的值相同，方向預(yù)測比較電路的輸出值為真(Q3=1)，加/減編碼計數(shù)器作加1操作，本次A脈沖過后，將根據(jù)本位置(Ⅱ位置)B、C的值計算出新的(Ⅲ位置)預(yù)測值(Q1=1、Q2=1)存入方向預(yù)測比較電路中的寄存器中，以便和再下一個脈沖比較。反之，如果刻度信號板移動方向與預(yù)定方向相反(從Ⅰ位置到F位置)，讀出的B=1、C=1，與Ⅰ位時預(yù)測的Q1、Q2不同，判別電路的輸出值Q3=0，加/減計數(shù)器作減1操作。A脈沖過后，同樣將當前位置(F位)預(yù)測的下一正向值(Q1=0、Q2=0)存入寄存器以便比較。
在有更高測量精度要求時(如要求測出0.01微米的尺寸位移量)，可以象機械式尺寸比較儀一樣，利用杠桿原理，先把位移量放大，再用本讀碼器對刻度信號板進行讀碼即可滿足要求。為了減小誤差，可以用更精密的儀器對裝有本讀碼器的測量儀器進行讀數(shù)計量，將計量的結(jié)果作為數(shù)據(jù)存入只讀存儲器并裝回本讀碼器，再使用裝有本讀碼器的儀器進行測量時，以計數(shù)器的絕對值(從絕對零點開始計數(shù))為地址查只讀存儲器就可得到精確結(jié)果。
本實用新型所說的讀碼器的優(yōu)點及效果是1、刻度信號板生產(chǎn)成本低、精度容易保證。可以象生產(chǎn)CD光盤一樣生產(chǎn)刻度信號板，現(xiàn)在的光盤生產(chǎn)技術(shù)基本能保征刻度信息的錄制精度和刻度信號板的一制性。即便出現(xiàn)刻度間距誤差，也可以通過只讀存貯器進行讀數(shù)修正。克服了傳統(tǒng)量具一經(jīng)生產(chǎn)出成品就無法改變其誤差的弊病。2、讀數(shù)準確、迅速、直觀。既不用人為計算，也無讀數(shù)和計算時造成的誤差。省時省力。3、便于實現(xiàn)自動化處理。只要加裝一個刻度信號板所附機構(gòu)的驅(qū)動機構(gòu)，很容易實現(xiàn)全自動測量和測量數(shù)據(jù)的全自動采集。4、運用范圍廣。本讀碼器可運用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研各領(lǐng)域中的尺寸、角度、位移量測量工具和機床設(shè)備上。加入時鐘電路并作一定改造后還可用于微振動振幅度和頻率的測量，比如可制作出數(shù)字式話筒。
權(quán)利要求1．激光高精度標尺量度讀碼器，它是由刻度信號板1及信號處理電路組成，信號處理電路由絕對零位檢測光電二極管2、復(fù)位信號電路3、加/減計數(shù)器4、編碼電路5、譯碼器6、顯示器7、方向預(yù)測比較電路8、放大整形電路9、激光頭10組成，其特征在于(a)上述刻度信號板1是安裝在普通量具的標尺或標盤上的有三行以上的刻度線19的雙層板，其表層24為透明材質(zhì)，其底層25為高反光鍍層，位于兩層之間的刻度線19由1-6條信號坑18組成，這些信號坑18的尺寸和間距是相同的。(b)上述刻度信號板1置于激光頭10的正前方2-4毫米，激光頭10的三束以上激光分別對準相應(yīng)的刻度線19中部，光電二極管分別連接到放大整形電路9的輸入端，放大整形電路9的B、C二個輸出端分別與方向預(yù)測比較電路8的N、M輸入端相連接，放大整形電路9的A輸出端分別與方向預(yù)測比較電路8的時鐘控制端CP和加/減計數(shù)器4的計數(shù)端T相連接，方向預(yù)測比較電路8的Q3輸出端與加/減計數(shù)器4的加/減控制端X相連接，加/減計數(shù)器4的輸出端連接編碼電路5，其輸出端與譯碼器7和顯示器6依次相連接，方向預(yù)測比較電路8的RD復(fù)位端和加/減計數(shù)器的RD復(fù)位端共同接到復(fù)位信號電路3的輸出端Z上，復(fù)位信號電路3的輸入端連接絕對零位檢測光電二極管2，(c)上述方向預(yù)測比較電路8的M、N輸入端接與非門17的輸入端、與非門17的輸出端和N輸入端再接入與門11的輸入端，這兩個門電路的輸出端分別接到D型觸發(fā)器12、16的D1、D2輸入端，兩個D型觸發(fā)器的CP時鐘控制信號端與放大整形電路9的A輸出端相連接，兩個D型觸發(fā)器的RD復(fù)位端接到復(fù)位信號電路3的Z輸出端上，D型觸發(fā)器12、16的兩個Q1、Q2輸出端分別和M、N兩路信號線一起分別接到異或門13、15的輸入端上，兩個異或門的輸出端接到一個或非門14的輸入端上，或非門14的輸出端Q3就是上述方向預(yù)測比較電路的輸出端。
2．按權(quán)利要求1所說的讀碼器，其特征在于當激光波長為500-800A、光束聚焦點直徑為0.5-1um、表層為0.5-2mm的透明材質(zhì)層時，上述信號板1上的信號坑18的尺寸是，每個信號坑18的長寬和深分別為10-30um.0.25-0.5um和0.1-0.5um；同一刻度線19中的信號坑18橫向間距為0.25-0.5um.每兩條刻度線19的間距為1-10um；按規(guī)定的正向讀碼方向，三行以上的刻度線19的排列可按組合方式排列。
專利摘要激光高精度標尺量度讀碼器,本實用新型屬于一種量度工具,尤其是用激光讀碼的量度器。它是由刻度信號板1及信號處理電路組成,信號處理電路由絕對零位檢測光電二極管2、復(fù)位信號電路3、加/減計數(shù)器4、編碼電路5、譯碼器6、顯示器7、方向預(yù)測比較電路8、放大整形電路9、三束式激光頭10組成。其優(yōu)點是精度易于保證,并具有體積小、便于攜帶、直接讀數(shù)、便于自動化測量、誤差可校正及運用范圍廣等特點。
文檔編號G01B7/02GK2318603SQ97230679
公開日1999年5月12日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月19日
發(fā)明者張俊 申請人:張俊