智能高精度光柵信號測量方法及裝置的製作方法
2023-06-01 18:29:46 2
專利名稱：智能高精度光柵信號測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明是一種能夠精確測量角度或位移量的光柵測量方法及裝置，屬於自動測量儀器的技術領域。
光柵技術已廣泛用於數控加工設備和測控儀器中，用於自動測量位移測角，以實現加工自動化、測量數位化等等。因為光柵本身的解析度較低(一般位移的解析度為10μm，角度為1度)為了滿足實用要求，得到較高的解析度，傳統方法是用硬體細分電路將光柵信號進一步細分，但其細分數做不高(做到40細分難度就很大)、電路複雜、頻響低、易引入幹擾、溫漂大及可靠性低等，難以實現高精度測量。近年，也有人提出了軟體細分法，但這種方法是用查表的方法，對硬體精度要求苛刻，製作表格需要大量的樣本，難度大且複雜，精度受限。為了滿足一些高精度測量的需要，國外有的單位採取了在光柵上密集刻線的方法，這種方法需要高精度的、價格昂貴的刻線設備，且合格率低，成本很高，其產品價格昂貴，其應用受限。
本發明的發明目的就是提供一種結構簡單、操作方便、可實現精密測量的智能高精度光柵信號測量方法及裝置。
本發明的智能高精度光柵信號測量方法是採用人工神經網絡的方法對光柵信號進行學習、泛化，細分，首先對輸入樣本光柵信號自動進行學習即進行分析、計算、存儲；然後對非樣本光柵信號進行泛化即將輸入集中樣本點的給定鄰域映射到輸出集中映射點與樣本對應的某一鄰域；即由神經網絡模型實現連續細分測量。測量裝置由光柵傳感器電路、前置電路、多路開關、模數轉換電路、微機所組成，該5部分電路按順序依次串聯相接，微機的輸出端還分別與多路開關和模數轉換電路的輸入端相接。在運算放大器A5與A6反相輸入端之間接有一個可變電阻W1，在運算放大器A8與A9的反相輸入端之間接有一個可變電阻W2。前置電路的輸出端即運算放大器A7、A10的輸出端分別與多路開關的輸入端即集成電路U2的「CH1、CH2」端相接。多路開關的另二個輸入端即集成電路U2的「A0、A1」端，與微機對應的「A0、A1」端相接。
本發明的主要優點是用神經網絡的學習和泛化能力實現光柵信號連續細分，只要通過對極少量樣本的學習，即可實現高精度的細分。實驗和試用證明，本發明只用很少的訓練樣本，既可實現很高的細分精度，比傳統方法的解析度提高10倍至100倍。並且，本發明硬體簡單，製造容易、成本低，操作和應用方便，可靠性高，不受微機機型限制(如用單片機、PC機、工控機等各種微機)。使其應用範圍大大拓寬。同時，本裝置只要配置圓光柵和相應前置接口可實現精密測角，配長光柵及相應前置接口可實現精密測位移、測長和測高等。通常在測量過程中如果僅通過記錄莫爾條紋數(計數輸出信號的周期數)來測量光柵的位移，其解析度僅為光柵的柵距，既使採用100線/mm的光柵，其解析度也僅為10μm。這一解析度是不能滿足大多數應用要求的。因此，為了得到比柵距更小的位移量，必須測量莫爾條紋移過的距離，也就是必須對輸出信號進行細分，通常採用內插法進行細分，即在莫爾條紋變化的一個周期內，給出N個計數脈衝，以減小脈衝當量(即每個脈衝所相當的位移量減小到原來的1/N，則解析度提高N倍)，傳統的細分方法是用純硬體實現，存在上述若干缺點，因此，本發明的細分測量方法及裝置可實現連續細分，使解析度大大提高，硬體電路大大減化。從而使可靠性大大提高。
圖1是本發明用神經網絡學習和泛化的功能細分測量的流程框圖。
圖2是本發明信號處理部分的電路結構框圖。其中有光柵傳感器電路1、前置電路2、多路開關3、模數轉換電路4、微機5。
圖3是本發明的電原理圖。
本發明的實施例如下本發明主要用人工神經網絡的泛化能力實現連續細分。人工神經網絡由若干人工神經元構成，神經元與神經元之間的連接用權值來描述，這些神經元和權值及人工神經網絡可用計算機模擬實現。只要讓人工神經網絡對極少量樣本進行學習，通過其權值的記憶和相互作用，即能將任意輸入推廣到較準確的輸出。也就實現了連續的高精度細分。
當用本發明方法進行測量時，首先選少量樣本(例如選擇7和10個樣本)讓裝置進行學習，學習完畢後，檢測量程內的任何值都可實現連續高精度細分，且只要學習一次，以後測量就不必再學習了，直到更換傳感器或更換硬體或維修等可再次學習。這一過程流程框圖如圖1示。所謂樣本是指在全量程內較均勻的(例如等間隔)給定一組標準的輸入和輸出作為教師信號，以供裝置進行學習。對於給定的樣本輸入，進行模數轉換(即圖2中的A/D採樣)，將其轉換成數位訊號送到微機。微機根據採樣值計算或調整神經元的權值，直到所有的樣本學習完畢，且所有樣本的權值誤差不大於允許誤差時學習結束。也就是所有的權值計算完成。將權值保存起來，以後輸入任意值，根據權值即可計算出精確的輸出。
首先將人工神經網絡的程序裝入微機5，然後由微機5、前置電路2、多路開關3、模數轉換電路4組成測量裝置，其中光柵傳感器電路1包括集成電路運算放大器A1～A4，前置電路2包括集成運算放大器A5～A10，多路開關3包括集成多路模擬開關電路U2，其型號為「AD7501」，模數轉換電路64包括集成模數轉換器電路U3，其型號為「AD574」，微機5採用單片機系統。
光電二極體D1至D4、運算放大器A1至A4、電容C1至C4、電阻R1至R4分別構成四個獨立的電流電壓轉換電路，其作用是將光信號轉換成一定幅度的電壓信號。其中光電二極體D1至D4為光柵傳感器內的光接收器件，型號可為2DU系列，也可以是光電池、光敏三極體、紅外接收器件或光集成接收器件。不同的傳感器，其輸出信號的路數不同，因此，光接收器件(D1至D4)可以只有1個或多個(一般兩個或四個)。運算放大器A1至A4是高阻抗低漂移集成運算放大器，可用一個集成四運放實現，也可用兩個兩運放或四個單運放(如用型號LF353等)，電阻R1至R4為反饋電阻。電容C1至C4為消振濾波電容。
運算放大器A5至A7、電阻R5至R10、W1構成儀表差動放大器，目的是去除直流，抑制漂移，其輸入信號應選擇兩反相信號，其直流信號和漂移、噪聲等信號因相減而抵消，有用的兩反相交流分量則相加。調整可變電阻W1可改變輸出幅度，以滿足模數轉換的幅度要求。一般應選擇R5＝R6，R7＝R8＝R9＝R10。此電路可以用集成運放構成，也可選用集成差動放大器。運算放大器A8至A10構成另一差動放大器，其原理相同。
集成電路U2為多路模擬開關，可用集成電路構成(如型號AD7501)，「CH1和CH2」是兩個輸入通道，「A0和A1」來自微機，用於控制進行通道選擇。當使用多路模數轉換(A/D)時或僅有一路信號輸入時，集成電路U2可省略。U3為A/D(模/數)轉換器(如型號AD574)，U4為微機，可以是單片機系統、PC機系統、STD工控機系統、PC工控機系統或其它微機。模數轉換成數位訊號並輸入到微機內。此例中，模數轉換器U3中的「D0-D11」為轉換後的12位數位訊號。「S」為啟動轉換的信號。「A0-A3」為通道選擇及讀數控制等控制信號。其中，A/D轉換器也可使用電壓/頻率(V/F)轉換器。最後採用人工神經網絡的細分方法對光柵信號進行學習、泛化，細分測量，首先對輸入樣本光柵信號自動進行學習即進行分析、計算、存儲；然後對非樣本光柵信號進行泛化即將輸入集中樣本點的給定鄰域映射到輸出集中映射點與樣本對應的某一鄰域；即由神經網絡模型實現連續細分測量。
採樣到微機內的信號，由兩種用微機實現的神經網絡模型實現連續細分(實用中選一種即可)。
需要指出的是，使用圓光柵傳感器時，一般只輸出兩路信號，且不含直流分量，其電路更簡單，差動電路可省略，電流電壓轉換電路也可省去兩路。根據以上所述，便可實現本發明。
權利要求
1.一種智能高精度光柵信號測量方法，其特徵在於採用人工神經網絡的細分方法對光柵信號進行學習、泛化，細分測量，首先對輸入樣本光柵信號自動進行學習即進行分析、計算、存儲；然後對非樣本光柵信號進行泛化即將輸入集中樣本點的給定鄰域映射到輸出集中映射點與樣本對應的某一鄰域；即由神經網絡模型實現連續細分測量。
2.一種智能高精度光柵信號測量裝置，由光柵採集部分和信號處理部分所組成，其特徵在於該裝置的信號處理部分由光柵傳感器電路(1)、前置電路(2)、多路開關(3)、模數轉換電路(4)、微機(5)所組成，該5部分電路按順序依次串聯相接，微機(5)的輸出端還分別與多路開關(3)和模數轉換電路(4)的輸入端相接。
3.根據權利要求2所述的智能高精度光柵信號測量裝置，其特徵在於在運算放大器A5與A6反相輸入端之間接有一個可變電阻W1，在運算放大器A8與A9的反相輸入端之間接有一個可變電阻W2。
4.根據權利要求2或3所述的智能高精度光柵信號測量裝置，其特徵在於前置電路(62)的輸出端即運算放大器A7、A10的輸出端分別與多路開關(63)的輸入端即集成電路U2的「CH1、CH2」端相接。
5.根據權利要求4所述的智能高精度光柵信號測量裝置，其特徵在於多路開關(63)的另二個輸入端即集成電路U2的「A0、A1」端，與微機(65)對應的「A0、A1」端相接。
全文摘要
智能高精度光柵信號測量方法及裝置是一種能精確測量角度和位移量的方法及裝置,採用人工神經網絡的細分方法對光柵信號進行學習、泛化,細分測量,首先對輸入樣本光柵信號自動進行學習即進行分析、計算、存儲;然後對非樣本光柵信號進行泛化即將輸入集中樣本點的給定鄰域映射到輸出集中映射點與樣本對應的某一鄰域;即由神經網絡模型實現連續細分測量。
文檔編號G01B11/04GK1278058SQ0011234
公開日2000年12月27日 申請日期2000年6月13日 優先權日2000年6月13日
發明者朱慶保 申請人:南京師範大學