专利名称：激光高精度标尺量度读码器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种量度工具，尤其是用激光读码的量度器。
普通的直尺、游标卡、千分卡、百分表、量角器等量度工具在测量尺寸时必须先读出被测物所对应的刻度的数，再根据刻度值的计算方法计算出最后结果，操作时容易读错或算错，又比较麻烦，且受人眼分辩能力的限制，刻线的细度和密度难以做得过于精密，因而限制了这些量度工具的测量精度。现有的激光量度器，如高分辩率激光衍射测量仪(CN10482634)，其技术方案为在这种仪器的远场衍射光路中，安装了光学空间滤波器，远场衍射光通过滤波器后被送入激光信号分析仪，分析仪中包括低噪声微分、非线性补偿和计数器等电路。其不足之处在于所用的激光功率较大，成本高，体积大，不便携带；若用于普通工件的测量，因工件尺寸变动大、误差大、表面粗糙，需反复调整仪器，比较费时费力，甚至无法测量，放该仪器只适宜于精密工件的测量和分选。
本实用新型的目的是针对上述测量仪的不足之处，提供一种装于普通测量仪器上的激光读码装置，它是一种可用于普通相精密工件测量的，并具有体积小便于携带、直接读数、便于自动化测量、误差可校正特点的激光高精度标尺量度读码器。
本实用新型所说的读码器是由刻度信号板1及信号处理电路组成，信号处理电路由绝对零位检测光电二极管2、复位信号电路3、加/减计数器4、编码电路5、译码器6、显示器7、方向预测比较电路8、放大整形电路9、激光头10组成，其特征在于刻度信号板1是安装在普通量具的标尺或标盘上的有三行以上的刻度线19的双层板，其表层24为透明材质，其底层25为高反光镀层，位于两层之间的刻度线19由1-6条信号坑18组成，这些信号坑18的尺寸是相同的，其宽度、深度取值受激光波长、光束直径和表层材料的影响，当激光波长为500-800A、光束聚焦点直径为0.5-1um、表层为0.5-2mm的透明材质层时，由于每条信号坑18的尺寸及其横向间距取决于激光头10的光束间距及激光头10读取信息时的轨迹偏差，故每个信号坑18的长、宽、深分别为10-30um.0.25-0.5um.0.1-0.5um；同一刻度线19中的信号坑18横向间距为0.25-0.5um；每两条刻度线19的间距取决于信号坑1 8的条数及刻度值的大小，取值为1-10um；按规定的正向读码方向，三行以上的刻度线19的排列可按组合方式排列，据此可判定刻度线的移动方向。
上述刻度信号板1置于激光头10的正前方2-4毫米，激光头10的三束以上激光分别对准相应的刻度线19中部，光电二极管分连接到放大整形电路9的输入端，放大整形电路9的B、C二个输出端分别与方向预测比较电路8的N、M输入端相连接，放大整形电路9的A输出端分别与方向预测比较电路8的时钟控制端CP和加/减计数器4的计数端T相连接，方向预测比较电路8的Q3输出端与加/减计数器4的加/减控制端X相连接，加/减计数器4的输出端连接编码电路5，其输出端与译码器7和显示器6依次相连接，方向预测比较电路8的RD复位端和加/减计数器的RD复位端共同接到复位信号电路3的输出端Z上，复位信号电路3的输入端连接绝对零位检测光电二极管2。
上述方向预测比较电路8的M、N输入端接与非门17的输入端、与非门17的输出端和N输入端再接入与门11的输入端，这两个门电路的输出端分别接到D型触发器12、16的D1、D2输入端，两个D型触发器的CP时钟控制信号端与放大整形电路9的A输出端相连接，两个D型触发器的RD复位端接到复位信号电路3的Z输出端上，D型触发器12、16的两个Q1、Q2输出端分别和M、N两路信号线一起分别接到异或门13、15的输入端上，两个异或门的输出端接到一个或非门14的输入端上，或非门14的输出端Q3就是上述方向预测比较电路的输出端。
图1是本实用新型所说的读码器的激光信号处理电路图。
图2是本实用新型所说的刻度信号板正面局部放大图。
图3是本实用新型所说的方向预测比较电路9的电路图。
图4是方向预测比较电路的逻辑真值表。
图5是信号放大整形电路。
下面通过实施例结合附图对本实用新型作进一步描述。
如图1所示，本实施例中的刻度信号板1是安装在普通量具的标尺或标盘上的有A、B、C三行刻度线19的双层板，其表层24为无色透明玻璃或塑料，其底层25为镍或铝高反光镀层，位于两层之间的刻度线19由2条信号坑18组成，这些信号坑18的尺寸是相同的，其宽度、深度取值受激光波长、光束直径和表层材料的影响，当激光波长为780A、光束聚焦点直径为1um、表层为1.5mm的无色透明塑料时，信号坑的宽度为0.5um，深度为0.12um，同一刻度线19中的信号坑18横向间距为0.5um，每条信号坑18的长度取决于三束激光的间隔及激光头读取信息时的轨迹偏差，一般取30um，每两条刻度线19的间距取决于信号坑18的条数及刻度值的大小，一般取1.5um；取向右为正向读码方向，如图1中Ⅰ位置A行有刻度线，Ⅱ位置A.B行有刻度线，Ⅲ位置A.B.C均有刻度线。也可按其它的组合排列。
图2中的激光头10可用CD激光唱机的唱头，例如国产唱机激光头GJ7830，或进口唱机激光头HL7801等；为降低成本也可特制，因为安装本实用新型的量具(如游标卡、百分表、螺旋千分卡等)的加工精度都较高，激光头相对刻度板移动时晃动较小，读码时只读单一的刻度板，采取加宽三条光束的间距、加长信号坑的长度、增加同一刻度线中信号坑的条数的措施后，可以省去激光唱头中的自动聚焦和自动寻迹机构。
如图5所示，上述激光信号处理电路中的放大整形电路9，选用国产CF124、FX111、进口LM124、NE5532等运算放大器组成电流-电压变换、电压放大、斯密特整形电路。方向预测比较电路中的各种逻辑电路可根据工作电压选用74系列TTL数字电路、4000系列CMOS数字电路或其它系列数字电路构成。加/减计数器4可选用74系列的74HC191、74HCT191或4000系列的CH4516B、CD4516B等产品。编码电路5用ROM只读存贮器组成，将计数器的输出值转化为相应的尺寸数据。译码器7可选74系列的74246、74LS247、4000系列的CC4055B、CD4054B等器件。显示器可选用液晶或辉光显示器。为了减小功耗和体积也可将上述电路集成为专用集成电路，使整个激光头及信号处理电路部份的尺寸进一步缩小。
本实用新型所说的读码器是这样工作的利用现有光盘信号刻录和读出技术，将刻度信号板1上的“信息坑”刻录到信号板上，将制作好的刻度信号板安装到测量仪器的标尺上(比如游标卡的主尺上)，将激光头安装到适当部位(比如游标卡的副尺上)，由于主、副尺之间有一定的配合间隙，因此激光头在移动过程中会有一定的上下波动，垂直排列的三个激光头也会有一定的摆动，为降低成本同时保证激光头能准确读到刻度信号板上的信号，采取了增加每一条刻度线上的信息坑条数，加长信息坑长度，增加刻度线间距等措施。如果主、副尺间隙为30um，副尺长度为30mm，激光束间距为30um，则激光头上下偏移量最大为30um，垂直偏移量最大为3/100um，按图1所示尺寸制作的刻度是能被激光头准确读出的。测量时当刻度信号板相对激光头有3微米的移动量时，激光头能将其转化为电信号，经放大整形电路9后形成电脉冲，经计数器计数后，以计数器的值为地址，查出只读存贮器中对应的刻度值，经译码后由显示器将结果显示出来。把这一读码器用于经改造的普通游标卡尺上，可将其测量精度提高到3微米。用于经改造的百分表上(将移动量放大10倍)，可将其测量精度提高到0.3微米以上，用于机械式尺寸比较仪上(将移动量放大100倍)，可以将其精度提高到0.03微米以上。
用普通光电计数电路只能记录刻度信号所对应的电脉冲的个数，不能判别刻度信号的移动方向，而在测量中刻度尺需作双向移动，因此，无法满足测量要求。本实用新型采用了三束激光同时读码A光束所产生的电脉冲作计数脉冲和控制脉冲；B、C光束所产生的电脉冲为方向判别脉冲，通过方向预测比较电路处理后形成控制信号控制加/减计数器的计数值，解决了刻度板的双向移动计数问题。例如(如图2所示)设激光照到刻度坑时其输出电平为1，没有照到时为0。在Ⅰ位置时A=1,B=0,C=0,A脉冲过后，方向预测比较电路中的两个D触发器的Q1=1,Q2=0(Q1=C·B，Q2=Q1·B)寄存了(预设)下一个(Ⅱ位置)A脉冲到来时B、C的状态。如果刻度信号板真的移动到Ⅱ位置时，这时读出的B=1、C=0，与Q1、Q2预设的值相同，方向预测比较电路的输出值为真(Q3=1)，加/减编码计数器作加1操作，本次A脉冲过后，将根据本位置(Ⅱ位置)B、C的值计算出新的(Ⅲ位置)预测值(Q1=1、Q2=1)存入方向预测比较电路中的寄存器中，以便和再下一个脉冲比较。反之，如果刻度信号板移动方向与预定方向相反(从Ⅰ位置到F位置)，读出的B=1、C=1，与Ⅰ位时预测的Q1、Q2不同，判别电路的输出值Q3=0，加/减计数器作减1操作。A脉冲过后，同样将当前位置(F位)预测的下一正向值(Q1=0、Q2=0)存入寄存器以便比较。
在有更高测量精度要求时(如要求测出0.01微米的尺寸位移量)，可以象机械式尺寸比较仪一样，利用杠杆原理，先把位移量放大，再用本读码器对刻度信号板进行读码即可满足要求。为了减小误差，可以用更精密的仪器对装有本读码器的测量仪器进行读数计量，将计量的结果作为数据存入只读存储器并装回本读码器，再使用装有本读码器的仪器进行测量时，以计数器的绝对值(从绝对零点开始计数)为地址查只读存储器就可得到精确结果。
本实用新型所说的读码器的优点及效果是1、刻度信号板生产成本低、精度容易保证。可以象生产CD光盘一样生产刻度信号板，现在的光盘生产技术基本能保征刻度信息的录制精度和刻度信号板的一制性。即便出现刻度间距误差，也可以通过只读存贮器进行读数修正。克服了传统量具一经生产出成品就无法改变其误差的弊病。2、读数准确、迅速、直观。既不用人为计算，也无读数和计算时造成的误差。省时省力。3、便于实现自动化处理。只要加装一个刻度信号板所附机构的驱动机构，很容易实现全自动测量和测量数据的全自动采集。4、运用范围广。本读码器可运用于工农业生产、国防、科研各领域中的尺寸、角度、位移量测量工具和机床设备上。加入时钟电路并作一定改造后还可用于微振动振幅度和频率的测量，比如可制作出数字式话筒。
权利要求1．激光高精度标尺量度读码器，它是由刻度信号板1及信号处理电路组成，信号处理电路由绝对零位检测光电二极管2、复位信号电路3、加/减计数器4、编码电路5、译码器6、显示器7、方向预测比较电路8、放大整形电路9、激光头10组成，其特征在于(a)上述刻度信号板1是安装在普通量具的标尺或标盘上的有三行以上的刻度线19的双层板，其表层24为透明材质，其底层25为高反光镀层，位于两层之间的刻度线19由1-6条信号坑18组成，这些信号坑18的尺寸和间距是相同的。(b)上述刻度信号板1置于激光头10的正前方2-4毫米，激光头10的三束以上激光分别对准相应的刻度线19中部，光电二极管分别连接到放大整形电路9的输入端，放大整形电路9的B、C二个输出端分别与方向预测比较电路8的N、M输入端相连接，放大整形电路9的A输出端分别与方向预测比较电路8的时钟控制端CP和加/减计数器4的计数端T相连接，方向预测比较电路8的Q3输出端与加/减计数器4的加/减控制端X相连接，加/减计数器4的输出端连接编码电路5，其输出端与译码器7和显示器6依次相连接，方向预测比较电路8的RD复位端和加/减计数器的RD复位端共同接到复位信号电路3的输出端Z上，复位信号电路3的输入端连接绝对零位检测光电二极管2，(c)上述方向预测比较电路8的M、N输入端接与非门17的输入端、与非门17的输出端和N输入端再接入与门11的输入端，这两个门电路的输出端分别接到D型触发器12、16的D1、D2输入端，两个D型触发器的CP时钟控制信号端与放大整形电路9的A输出端相连接，两个D型触发器的RD复位端接到复位信号电路3的Z输出端上，D型触发器12、16的两个Q1、Q2输出端分别和M、N两路信号线一起分别接到异或门13、15的输入端上，两个异或门的输出端接到一个或非门14的输入端上，或非门14的输出端Q3就是上述方向预测比较电路的输出端。
2．按权利要求1所说的读码器，其特征在于当激光波长为500-800A、光束聚焦点直径为0.5-1um、表层为0.5-2mm的透明材质层时，上述信号板1上的信号坑18的尺寸是，每个信号坑18的长宽和深分别为10-30um.0.25-0.5um和0.1-0.5um；同一刻度线19中的信号坑18横向间距为0.25-0.5um.每两条刻度线19的间距为1-10um；按规定的正向读码方向，三行以上的刻度线19的排列可按组合方式排列。
专利摘要激光高精度标尺量度读码器,本实用新型属于一种量度工具,尤其是用激光读码的量度器。它是由刻度信号板1及信号处理电路组成,信号处理电路由绝对零位检测光电二极管2、复位信号电路3、加/减计数器4、编码电路5、译码器6、显示器7、方向预测比较电路8、放大整形电路9、三束式激光头10组成。其优点是精度易于保证,并具有体积小、便于携带、直接读数、便于自动化测量、误差可校正及运用范围广等特点。
文档编号G01B7/02GK2318603SQ97230679
公开日1999年5月12日 申请日期1997年12月19日 优先权日1997年12月19日
发明者张俊 申请人:张俊