基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法及設備的製作方法
2023-12-09 18:03:16 2
專利名稱：基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及精密位移測量中的光柵莫爾條紋細分方法和精密位移測量裝置，提出了一種可達到納米分辨カ的光柵莫爾條紋高倍細分方法。
背景技術：
光柵莫爾條紋細分及位移測量
國外研究條紋及其在光柵傳感器中應用最知名機構是德國HEIDENHAIN，其高品質技術和產品是在精湛的光刻エ藝、優質材料和先進的實驗生產條件基礎上實現的，其產品已達納米級，但對國內禁售。英國RENISHAW也是國際上具有影響カ的光柵數顯企業，其研製的創新非接觸式光學結構的光柵系統在實現精確測量、高分辨カ和零機械磁滯的同時有很強的抗汙能力。日本MITUT0Y0、西班牙FAG0R、美國microE等也是世界著名光柵尺和數顯製造商。目前國外產品壟斷著市場。國內研究主要是在提高刻線密度、光學細分、電子細分三·個方面。在提高光刻エ藝方面國家支持的重大科研裝備研製項目「大型高精度衍射光柵刻劃系統」目標是實現大尺寸高精密的刻劃，打破國外的壟斷和限制。在光學細分方面主要包括二次莫爾條紋信號細分、等腰閃耀光柵的光學細分、合成波長條紋細分等方法。光刻法和光學細分法造價昂貴，細分數和量程提高空間有限。在電子細分方面主要包括動態跟蹤細分、CMOS、CCD細分、神經網絡細分、鎖相細分等。目前電子細分方法存在的主要問題是高細分、高速度、大量程之間的矛盾問題。因此需要提高有效的細分數，有效的細分方法是在獲得高細分的同時還要實現高速度。
發明內容
發明目的本發明提供一種基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法，其目的是解決以往的方法效果不理想的問題。技術方案本發明專利是通過以下技術方案來實現的
基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法，其特徵在於利用光柵傳感器同一時刻輸出的少量的空間信號確定某ー時刻光柵的位置，兩次相鄰時刻的位置差累加後獲得位移；採用高精度高速度同歩數據採集系統和基於空間少量點的細分算法獲得高分辨カ的高倍細分，該方法的步驟如下
①莫爾條紋空間信號採集ー種方法是直接採集光柵傳感器輸出的四路信號，另外還可以增加空間光電管數量或採用CCD或CMOS替代光電管提高空間點數和空間分辨力；設光柵莫爾條紋間距為L，則該條紋在頻率域中的基頻為
2π
0—-
L
由採樣定理可知，要使採樣後莫爾條紋信號的頻譜不發生混疊，則要求條紋的空間採樣頻率滿足下式F 2
fs> —
L
因此在ー個莫爾條紋信號周期之內至少放置兩個光電管以保證採樣後莫爾條紋的頻譜不發生混疊；
②、莫爾條紋時間信號採集
對莫爾條紋信號進行時域採集首先採用儀器放大器和濾波器對信號去噪、抗混疊濾波處理，然後搭建高速高精度同歩數據採集系統同時採集傳感器輸出的莫爾條紋信號，採用基於FPGA的SOPC對採集系統進行控制、實現細分算法；採集的幅值分辨カ決定空間位置的精度，採集的速度決定兩次位置差的精度即位移的分辨力，根據實際的精度和速度的要求與應用場合，可以選擇不同的AD，指標計算如下
針對柵距20um，跟蹤速度為2m/s的常用傳感器，對應信號的最高輸出頻率為ΙΟΟΚΗζ，採用250MHz的16位AD，可達到納米級分辨力，對應的細分數為2500，提高採樣速度、選擇高質量傳感器和低指標要求時將進一歩提高細分數和分辨カ；
③某ー時刻的空間位置確定一個空間周期的莫爾條紋近似正弦型分布，利用空間四點擬合莫爾條紋正弦信號，然後通過其初相值可確定出任意時刻的位置值^。方法一
設空間四點的坐標為(xl, yl)、(x2, y2)、(x3, y3)、(x4, y4),擬合的正弦信號為
權利要求
1.基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法，其特徵在於利用光柵傳感器同一時刻輸出的少量的空間信號確定某ー時刻光柵的位置，兩次相鄰時刻的位置差累加後獲得位移；採用高精度高速度同歩數據採集系統和基於空間少量點的細分算法獲得高分辨カ的高倍細分，該方法的步驟如下 ①莫爾條紋空間信號採集ー種方法是直接採集光柵傳感器輸出的四路信號，另外還可以增加空間光電管數量或採用CCD或CMOS替代光電管提高空間點數和空間分辨力；設光柵莫爾條紋間距為L，則該條紋在頻率域中的基頻為
2.權利要求I的基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法所專用的設備，其特徵在於該設備包括光柵傳感器、儀器放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器和基於FPGA的SOPC系統；光柵傳感器連接至儀器放大器，儀器放大器連接至抗混疊濾波器，抗混疊濾波器連接至模數轉換器，模數轉換器連接至基於FPGA的SOPC系統。
3.根據權利要求2所述的基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法所專用的設備，其特徵在於該設備還包括鍵盤和顯示單元，鍵盤和顯示單元連接至基於FPGA的SOPC系統。
4.根據權利要求3所述的基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法所專用的設備，其特徵在於基於FPGA的SOPC系統內設置有並行數據採集単元、並行數據處理単元和同步控制脈衝單元；同步控制脈衝單元分別連接至並行數據採集単元、並行數據處理単元和模數轉換器，模數轉換器連接至並行數據採集単元，並行數據處理單元連接鍵盤和顯示單元
全文摘要
本發明公開了一種基於少量空間點的莫爾條紋高倍細分新方法，可以應用在大量程位移快速精密測量、定位與控制中。在某一時刻利用光柵傳感器輸出的四路空間信號確定光柵的位置，兩次相鄰時刻的位置差累加獲得總位移。採用高精度高速度數據採集系統和空間少量點細分算法獲得高分辨力的高倍細分。該方法充分利用空間莫爾條紋周期性、正弦性的特點，並採用FPGA實現算法，具有運算量小、速度快、細分數高等特點，可解決光柵大量程精密位移測控中高分辨力、高速度、大量程之間的矛盾問題。
文檔編號G01B11/02GK102679888SQ201210178439
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者常麗 申請人:瀋陽工業大學