专利名称：光栅莫尔信号微机综合补偿细分法及装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种光栅位移测量系统及其装置。更具体地说，本发明涉及一种光栅莫尔信号微机细分方法及按此方法组成的光栅位移测量装置。
光栅位移测量系统因其精度高、性能稳定，在坐标测量仪器(包括单、双，三坐标)和数控设备中获得了大量、广泛的应用。为了满足实际应用对光栅设备的精度和分辨率越来越高的要求，光栅莫尔信号细分技术正日益显示出其重要性。已成为进一步提高光栅测量系统精度和分辨率的关键。
目前国内外已提出了很多光栅莫尔信号细分方法，如机械法、光学法、电子法、微机法等，其中微机细分法是最有前途的一种。然而目前国内外已发表的所有微机细分法都是按光栅莫尔信号的理想表达式(y1＝Asinθjy2＝Acosθjθ＝2πX/W)进行细分的，如美国专利4225931其根本缺点是不能消除光栅莫尔信号质量对细分精度的影响，所以理论上细分数(分辨率)虽然可以做很高，但要提高细分精度却是很困难的，这就限制了光栅在更高精度位移测量系统中的应用。
本发明的目的就是从根本上克服现有微机细分方法的不足，提出一种光栅莫尔信号微机综合补偿细分法。该方法的特征在于按光栅莫尔信号的实际表达式进行细分，实际表达式中反应了评定光栅莫尔信号质量的四项主要参数，即信号的直流电平漂移、幅度波动、两路信号的等幅性误差和正交性误差。通过对实际光栅莫尔信号及其特征值的实时检测，补偿和细分融为一体的处理，消除光栅莫尔信号质量对细分精度的影响，实现大幅度提高细分精度和有效细分份数(分辨率)的目的，为新一代更高精度光栅位移测量系统的实现提供一个新的途径。
本发明的目的可以通过以下措施来达到首先，根据光栅莫尔信号的特点，建立起光栅莫尔信号的实际表达式y1＝AO1(θ)+A1(θ)sinP1(θ) (1)y2＝AO2(θ)+A2(θ)cosP2(θ) (2)θ＝2πX/W(3)式(1)(2)(3)中随位移X变化的参数有三个AO1(θ)，AO2(θ)为变化的直流分量;A1(θ)，A2(θ)为幅度调制函数;P1(θ)，P2(θ)为相位调制函数，式(3)中的W为光栅栅距。由(1)(2)(3)式可解出细分值的计算公式为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)在区间0～ (π)/4 ， (π)/2 ～ (3π)/4 ，π～1 (π)/4 ，1 (π)/2 ～1 (3π)/4 使用式(4)计算，在区间 (π)/4 ～ (π)/2 ， (3π)/4 ～π，1 (π)/4 ～1 (π)/2 ，1 (π)/4 ～2π使用式(5)计算细分值X。
其次，采用相应的细分装置(附图1)对信号y1，y2;信号峰值A1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2mim(θ);两路信号正交性误差△P(θ)进行适时检测。
最后，根据适时检测结果，采用硬、软件相结合的办法实现按式(4)(5)(6)进行综合适时补偿和细分值计算，求得细分值X，再与对应光栅一个栅距W为单位的大数值合成后，最终得到光栅位移值。
对本发明装置结合附图进行详细说明如下如附图1所示，光栅莫尔信号微机综合补偿细分装置主要由信号净化电路(①);带直流电平漂移补偿的计大数(对应一个光栅栅距W);电路(②③④⑤);带直流电平漂移和幅度波动补偿的细分电路(⑥⑦⑧);光栅莫尔信号及其特征值检测电路(⑨⑩)及单片微计算机(11)所组成。光栅莫尔信号y1，y2经①净化后滤除干扰并把信号噪声压低到一个分辨率所允许的水平，以保证后续电路处理精度和可靠性。⑨和⑩用来实时检测y1、y2的特性值，即A1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2mim(θ)和P1(θ)，P2(θ)。并送单片微机(11)，经处理后由(11)实时送出AO1(θ)＝〔A1max(θ)+A1mim(θ)〕/2，AO2(θ)＝〔A2max(θ)+A2mim(θ)〕/2经⑤后至②得到经过直流电平漂移补偿的光栅莫尔整形信号，再经④⑤处理后送(11)存贮。经(11)处理后的AO1(θ)，AO2(θ)，A1mim(θ)，A2mim(θ)经⑧送⑦得对直流电平和幅度能自动跟踪的A/D转换信号送(11)作为细分用的采样数据。两路信号的正交性误差△P(θ)在(11)内进行细分值计算时修正。
图2中的V1，V2分别由抗干扰滤波、放大和低通滤波器组成信号净化电路。比较器T1，T2，数模转换器D/A1，D/A2，辨向电路、可逆计数器和锁存缓冲器组成计大数电路，采样保持器S/H1，S/H2，模数转换器A/D1，A/D2，数模转换器D/A3，D/A4组成小数细分电路。单片微机8098中的S/H，A/D和小数细分电路在45°移相整形，有序脉冲发生电路，S/H指令锁存电路的配合下共同组成y1，y2的峰峰值A1max(θ)，A1mim(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)和相位角P1(θ)，P2(θ)检测电路。所有数据的采集，反馈补偿，细分值计算，各种操作控制以及大数和细分值的合成均由单片机8098来完成，然后把测量结果送显示单元进行显示。
图3中只画出了其中一个坐标的电路结构示意图，其他坐标的电路结构与图2完全一致。图3与图2区别是增加了两个采样保持器S/H3和S/H4，一个“模拟开关”，一个“模拟开关切换控制电路”和“测头采样脉冲形成与锁存电路”专门用于处理三坐标测量机三维测头的采样信号。当测头采样信号到来时，通过“测头采样脉冲形成与锁存电路”控制S/H3、S/H4锁存y1，y2的瞬时值，并封锁“锁存缓冲器”，同时从HS1口向8098发出中断申请，在中断服务程序中读取一个大数值和一个细分值，合成后送内存，大数和细分值的具体处理方法同图2，图3兼有对位移的检测，数字显示和当“测头采样信号”到来时刻读取该时刻位移值的双重功能。
本发明与现有技术相比具有如下优点1.由于本发明的微机细分法是建立在对光栅莫尔信号实际表达式的基础上，也就是按实际信号进行细分，因此对光栅莫尔信号质量无严格要求，从而降低了对光栅付制造和装配调整精度的要求，亦从整体上降低了成本，增强了系统的适应性，拓宽了应用范围。
2.由于本发明可以对评定光栅莫尔信号的质量的四项主要参数进行实时有效的补偿，因此在信号质量较差的情况下仍然可以得到很高的细分精度和有效分辨率。对50线/mm光栅付，当信号在光栅全长上直流电平漂移、信号幅度波动、两路信号的等幅性误差在A/D输入满量程范围内波动30%，两路信号的正交性误差为5°时，当采用8位A/D转换器，细分数可做到500，分辨率为0.04μm，细分误差±0.1μm。
3.由于对信号的实时检测是采用有选择性的提取特征值(峰峰值，45°时的相位角)的办法，因此提高了整个系统的响应速度，对50线/mm光栅，分辨率为0.04μm，位移速度可达到120mm/3。
4.本发明所提供的方法和装置同样可适用于具有相同信号特征的激光，感应同步器和磁栅位移测量系统。
如下图1体现光栅莫尔信号微机综合补偿细分法的装置组成原理框图。
图2本发明用于光栅位移测量数字显示装置的电原理图。
图3本发明用于三坐标测量机光栅坐标测量系统的电原理图。
权利要求
1.一种用于位移测量的光栅莫尔信号微机综合补偿细分方法，按照光栅莫尔信号的理想表达式y1=Asin(θ)；y2=Acos(θ)；θ=2πX/W进行细分，本发明的特征在于按照光栅莫尔信号的实际表达式对光栅莫尔信号进行细分，其表达式为y1=Ao1(θ)+A1(θ)sinP1(θ) (1)y2=Ao2(θ)+A2(θ)cosP2(θ) (2)θ=2πX/W (3)表达式中X表示位移量，W为光栅栅距，Ao1(θ)，Ao2(θ)为变化的直流分量；A1(θ)，A2(θ)为幅度调制函数，P2(θ)，P2(θ)为相位调制函数，由此表达式得到细分值号计算公式为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)在区间0～π/4，π/2～3π/4，π～1 (π)/4 ，1 (π)/2 ～13π3使用(4)式计算，在区间π/4～π/2，3π/4～π，1 (π)/4 ～1 (π)/2 ，1 (π)/2 ～2π使用(5)式计算细分值X，再与对应光栅一个栅距W为单位的大数值合成后，最终得到光栅位移值，式中A1max(θ)，A1min(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)分别为A1(θ)，A2(θ)的峰峰值，ΔP(θ)为y1，y2两路信号的正交性误差。
2.一种对光栅莫尔信号进行微机补偿细分的装置，包括放大器，触发器，A/D变换器，辨向电路，可逆计算器，计算机，显示器等部分，其中由光栅付输出的信号y1，y2经放大器放大后分成两路，一路经触发器整形成为脉冲信号，经辨向电路和可逆计数器输入计算机，另一路经A/D变换器输入计算机，计算机与显示器连接，本发明装置的特征在于由以下各部分组成，(1)信号净化电路，(2)带直流电平补偿的整形电路，(3)辨向和脉冲形成电路，(4)可逆计数器，(5)直流电平反馈信号形成电路，(6)采样保持器，(7)带直流电平和幅度补偿的A/D，(8)直流电平和幅度反馈信号形成电路，(9)采样保持器，(10)A/D变换器，(11)单片机，光栅莫尔信号y1，y2经(1)滤波净化滤除干扰，把信号噪声压低，提高信噪比，然后分成三路，一路经(9)和(10)到单片机(11)，用于实时检测y1，y2的特征值即A1max(θ)，A1min(θ)，A2max(θ)，A2min(θ)和P1(θ)，P2(θ)，上述特征值送入单片机(11)经处理后由(11)实时送出AO1(θ)＝〔A1max(θ)+A1min(θ)〕/2，AO2(θ)＝〔A2max(θ)+A2min(θ)〕/2，经(5)后至(2)得到经过直流电平漂移补偿的光栅莫尔整形信号，再(3)，(4)处理后送(11)存贮，经(11)处理后的AO1(θ)，AO2(θ)，A1min(θ)，A2min(θ)经(8)送入(7)得到对直流电平和幅度能自动跟踪的A/D转换信号送(11)作为细分用的采样数据，两路信号的正交性误差△P(θ)在(11)内进行细分值计算时修正。
全文摘要
本发明涉及一种用于位移测量的光栅莫尔信号微机综合补偿细分法及按此方法所组成的光栅位移测量装置。其主要特点在于按光栅莫尔信号实际表达式进行细分，可以消除表征莫尔信号质量的直流电平漂移、幅度波动、两路信号的等幅性和正交性误差对细分精度的影响，大幅度的提高细分精度和有效分辨率，降低对光栅副制造和装配调整精度的要求。为新一代高精度，高分辨率的光栅位移测量系统的实现提供了一个新的途径。
文档编号G01B11/02GK1068417SQ91104628
公开日1993年1月27日 申请日期1991年7月9日 优先权日1991年7月9日
发明者车仁生, 于海波, 陈丽艳, 车承钧, 李学东, 杨文国 申请人:哈尔滨工业大学