光栅莫尔条纹信号化重构方法与流程

本发明涉及光电测量领域，特别是涉及一种光栅莫尔条纹信号化重构方法。

背景技术：

近年来光栅位移传感器在位移监测中得到了广泛的应用，成为了以莫尔条纹为理论的测量技术的最典型代表。光栅位移传感器必须包含一对光栅副，其中一块光栅尺作测量基准用，该尺称为标尺光栅（或称主光栅），另一块光栅尺则称为指示光栅。当两块光栅面对面叠合，就会产生莫尔条纹，当两光栅沿垂直于栅线方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向相同的方向相应地移动。利用光电元件将变化的光强转化为变化的电信号，并经过电子元器件的滤波整形和运算处理，便可以得到相应的位移值。一般情况下，为了实现辨向和进一步的细分，必须把经过光电元件转换的莫尔条纹信号，处理成两路相位差约为90°的正弦电压信号。

目前，国内外长光栅栅距大多为4μm以上，在实际应用中，仅依靠光栅栅距本身的分辨率，通常不能达到精密测量的要求。也就是说，必须采用莫尔条纹的细分技术来提高光栅测量系统的分辨率。

然而，若直接对原始的两路正弦信号进行采样细分，则会存在以下问题，在对信号进行采样比较时，由于正、余弦信号的线性度不好，在一个周期内，相同位移差所对应的电压幅值差不同，特别是当电压幅值接近峰值时，光栅尺需要移动一个较大的位移才产生一个微小的电压变化，故而必须对原始信号进行重构。

常用的重构算法主要是线性化重构算法，包括反正切算法、正余弦绝对相减（近似三角波）、正余弦绝对后相除（正切的绝对值，近似三角波）以及8细分法（利用正余弦近似线性的部分重构信号）。这些算法虽然都可以获得线性重构函数，但通常都对信号的幅值变化较为敏感且线性度有待提高。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种光栅莫尔条纹信号化重构方法，能够使得信号重构函数对原始信号的幅值变化不敏感，且具有良好的线性度并最终实现位移计量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光栅莫尔条纹信号化重构方法，包括以下步骤：

a.信号预处理：对光栅莫尔条纹进行光电转化，通过滤波和运算处理后获取两路信号差约为90°的正弦电压信号和；

b.信号的线性化重构：对步骤a中获取的信号和进行线性化重构，构造线性化函数，，并引入辅助函数，，最终经重构得到线性化函数，；

c.位移的计量：利用周期计数器记录莫尔条纹变化的整周期个数n，对于栅距为的增量式光栅线位移传感器，经过其计量得到的位移值x为，其中。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中电压信号和，在理想状况下表示为，在实际存在误差得到情况下表示为，其中a代表信号的幅值，b代表信号的相位,c代表信号的直流分量。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤b中的sgn函数，为符号函数，对于sgn函数，有

对于符号，表示一种“异或”运算，即对于，若y和z的值相同，则计算结果是1，若y和z的值不同，则计算结果是0，对于线性化函数，其与真正理想线性三角波的偏差为该重构算法的理论误差，定义为，为理想三角波，有，最大理论误差为。

在本发明一个较佳实施例中，所述c中的，其单位为rad（弧度），对于d和x，其单位均为（微米）。

本发明的有益效果是：本发明光栅莫尔条纹信号化重构方法，能够使得信号重构函数对原始信号的幅值变化不敏感，且具有良好的线性度并最终实现位移计量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明光栅莫尔条纹信号化重构方法的工作原理流程示意图；

图2是本发明的信号波形图；

图3是图2的李萨如圆图；

图4是本发明的光栅正向运动的波形图；

图5是本发明的光栅反向运动的波形图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种光栅莫尔条纹信号化重构方法，包括以下步骤：

a.信号的预处理：将光栅尺输出的的信号输入信号预处理电路板进行滤波，用数据采集卡pci-8757采集经过预处理的两路电压信号。

b.信号的线性化重构：如图一，通过数据采集卡pci-8757和labview软件，将采集到的电压值实时输入服务器得到两路信号的电压值序列和。调用编制好的labview程序，用如下方程实时重构输入的电压值序列和，形成新的重构函数：

重构好的函数，如图二所示。

c.位移的计量：利用labview软件编程记录莫尔条纹变化的整周期个数n，并用如下公式实时计量出位移值，

式中，，的单位是弧度（rad）。

进一步地，当通过数据采集卡pci-8757采集到的两路信号为：

时

对于本重构算法的最大理论误差，有

通过使用服务器和labview进行调控，而实际中为了提高速度，还可以使用fpga及相关配套设备，所使用的增量式光栅线位移传感器的栅距为20微米，还可以对具有更小或更大栅距的光栅进行线性化重构及计量，其它具体设备亦均可依据所需设定。

本发明光栅莫尔条纹信号化重构方法，能够使得信号重构函数对原始信号的幅值变化不敏感，且具有良好的线性度并最终实现位移计量。

区别于现有技术，本发明光栅莫尔条纹信号化重构方法，能够使得信号重构函数对原始信号的幅值变化不敏感，且具有良好的线性度并最终实现位移计量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。