专利名称：大行程光栅纳米测量块及其测量方法
技术领域：
本发明涉及测控领域，尤其是应用于超精密工作台大行程范围内的纳米测量与定
位控制的测量块和测量方法，具体为大行程光栅纳米测量块及其测量方法。
背景技术：
光栅作为一种传统的大尺寸位移测量传感器，以其灵活的使用条件广泛应用在工 业计量领域、仪器设备中或生产线上。以往由于在工业环境应用条件下存在诸多干扰，以及 光栅本身存在较大刻线误差，使得光栅仅能满足微米级的测量精度要求，相应地对光栅细 分电路的要求也较低。但随着计量光栅的发展，影响光栅测量精度的刻线误差已能控制在 纳米量级，如100mm长的光栅刻线误差已能够控制在士20nm以内，光栅测量精度已经可以 和激光干涉仪测量精度相媲美，光栅与激光干涉仪同作为两个高精度位移测量装置，已越 来越多地出现在具有纳米级测量精度的三维测量系统中。 光栅与激光干涉仪虽然同为高精度位移测量装置，但两者对环境的要求以及对安 装条件的要求均有很大差别。如激光干涉仪除了对光路布置等安装条件要求很严外，对测 量环境亦有很高的要求，测量环境中的空气气压、温度、湿度等任何变化，均能导致激光干 涉仪测量精度的下降，从而严重限制了激光干涉仪的应用条件和应用场合。与激光干涉仪 不同，光栅除了受温度的影响外，几乎不受其他环境因素的影响，且光栅具有测量范围宽、 结构简单、体积小、安装方便等特点。因此，研究大行程光栅纳米测量模块及其测量方法具
有更广阔的应用前景和应用价值。 目前已有的光栅高精度测量技术，依然摆脱不了光栅辨向电路或辨向算法，如图3 所示，计数器为辨向计数器，计数器中的计数值N为光栅1/4整周期计数值；细分值A ni为 不足光栅1/4整周期的细分值，最终的测量结果值为计数器中的计数值N与细分值A&之
和。因此，现有技术中，光栅测量精度的高低与光栅所处的测量状态密切相关。 一般情况 下，单向测量精度高于双向测量精度，特别是远高于需要频繁切换方向的测量精度，这都是
由于光栅辨向电路或辨向算法的辨向分辨率要低于或远远低于测量分辨率所致。此外，在 实际测量过程中，各种外界干扰对测量的影响也是难以避免的，因此，带辨向电路或辨向算 法的光栅细分方法已成为制约光栅在线测量精度进一步提高的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种大行程光栅纳米测量块及其测量方法，以解决传统的光 栅测量需要光栅辩向电路和辩向算法，光栅的精度受到光栅测量状态制约的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为 大行程光栅纳米测量块，包括有DSP浮点运算芯片及其DSP处理电路，所述DSP处 理电路包括有A/D输入电路、I/O输出电路、串口输出电路，其特征在于还包括有光栅调理 电路、与光栅调理电路输入端电连接的供外部光栅接入的光栅接口，外部光栅通过光栅接 口将采集到的位移信号传输至光栅调理电路，所述光栅调理电路通过所述A/D输入电路与所述DSP浮点运算芯片电连接，输出调理后的外部光栅的正弦电压、余弦电压和零偏电压 信号至所述DSP浮点运算芯片；有串行通信接口，所述串行通信接口通过所述串口输出电 路与所述DSP浮点运算芯片电连接，所述DSP浮点运算芯片的测量数据通过串行通信接口 输出至外部的上位机；有显示器通过I/O输出电路与所述DSP浮点运算芯片电连接，所述 DSP浮点运算芯片的测量数据通过I/O输出电路在显示器中显示。 所述的大行程光栅纳米测量块，其特征在于还包括有引入外部电源的电源接口， 所述电源接口分别与所述DSP浮点运算芯片、光栅调理电路电连接以供电。
所述的大行程光栅纳米 TMS320F28335。 所述的大行程光栅纳米测
所述的大行程光栅纳米测
所述的大行程光栅纳米测 将位移信号通过光栅接口传输至光 通过所述A/D输入电路采样光栅调理电路调理后的外部光栅的正弦电压、余弦电压和零偏 电压信号，采样得到的采样值与所述外部光栅的实际位移值相对应；所述采样值通过DSP 浮点运算芯片处理后得到光栅细分增量值，对光栅细分增量值求算术和得到光栅纳米测量 值；所述光栅纳米测量值通过DSP浮点运算芯片的I/O 口传输至显示器中显示，并通过DSP 浮点运算芯片的串行通信接口传输至外部上位机中。 本发明在DSP浮点运算芯片中预置有零辨向细分软件，通过零辩向细分软件实现 对光栅细分增量值求算术和以达到光栅纳米测量的目的。所谓"零辨向"指的就是光栅测 量分辨率与辨向分辨率在纳米级和亚纳米级上达到了一致，换言之，即光栅纳米测量方法 中，既没有独立的辨向电路，也没有独立的辨向算法。采用本发明测量方法，无需独立的辨 向计数器，也无需独立的辨向软件算法。采用本发明测量方法，当前时刻测量点上的任何细 微干扰影响都会在下一个实时测量点上得以消除。除此之外，本发明测量方法还具有(l) 测量时刻采样的位移信息与实际位移值对应，即测量点上采样的位移信息可作为位置反馈 控制信号；(2)能够实现粗光栅(刻线密度为50线/mm)纳米分辨率的测量，测量速度大于 100mm/s。光栅测量精度仅取决于系统修正精度，而与测量过程中是否存在扰动和干扰无 关，也与测量过程中光栅信号衰减无关。由于粗光栅制作工艺相对简单、光栅信号质量高、 价格低以及在我国的应用相当普及，因此该技术具有非常广的市场应用前景。
本发明的有益效果 (1)、提供性价比高的大行程光栅纳米测量模块，可以单独使用，也可通过RS232 接口与外围设备连接构成测控系统使用； (2)、满足大行程范围内的纳米测量和实时控制要求，可广泛用作为超精密工作台 的位置测量与反馈控制装置； (3)、能与常用的粗光栅配套使用，实现测量行程士2m、测量分辨率l-2nm、测量速 度0-100mm/s的技术指标； (4)、体积小、抗干扰能力强，可用于在线测量。
测量块，其特征在于所述DSP浮点运算芯片型号为
量块，其特征在于所述串行通信接口型号为RS232。 量块，其特征在于所述显示器为IO位显示屏。
量块的测量方法，其特征在于外部光栅采集位移信号，
栅调理电路，DSP浮点运算芯片在内部时钟定时触发下，
图1为本发明中无辨向电路及辨向算法的光栅纳米测量方法原理图。
图2为本发明测量块的原理图。 图3为现有技术带有辨向电路的光栅纳米测量方法原理图。
具体实施例方式
如图1所示。本发明包括光栅接口，光栅调理电路，基于浮点运算芯片型号为 TMS320F28335的DSP浮点运算芯片，DSP浮点运算芯片内固化有采样和零辨向细分软件， 10位液晶显示屏，RS232接口，+5V的电源接口。外接光栅通过光栅接口将光栅的莫尔位移 信号送到光栅调理电路进行信号调理；调理后的光栅正弦电压、余弦电压和零偏电压送到 DSP处理电路上的A/D输入端；经A/D采样及零辨向软件细分后的光栅测量值通过10位液 晶显示屏显示出来；外围设备通过RS232接口实现对测量的远程控制；外接电源通过+5V 电源接口给上述各电路供电。 如图2所述。A化为测量值的细分增量值。A化中包含有光栅测量值信息，同时
也包含有与测量值分辨率相同的纳米级或亚纳米级的辨向信息。最终的测量值为细分增量 值A&的算术和。本发明的方法无需独立辨向计数器，也无需独立辨向软件算法。
权利要求
大行程光栅纳米测量块，包括有DSP浮点运算芯片及其DSP处理电路，所述DSP处理电路包括有A/D输入电路、I/O输出电路、串口输出电路，其特征在于还包括有光栅调理电路、与光栅调理电路输入端电连接的供外部光栅接入的光栅接口，外部光栅通过光栅接口将采集到的位移信号传输至光栅调理电路，所述光栅调理电路通过所述A/D输入电路与所述DSP浮点运算芯片电连接，输出调理后的外部光栅的正弦电压、余弦电压和零偏电压信号至所述DSP浮点运算芯片；有串行通信接口，所述串行通信接口通过所述串口输出电路与所述DSP浮点运算芯片电连接，所述DSP浮点运算芯片的测量数据通过串行通信接口输出至外部的上位机；有显示器通过I/O输出电路与所述DSP浮点运算芯片电连接，所述DSP浮点运算芯片的测量数据通过I/O输出电路在显示器中显示。
2. 根据权利要求1所述的大行程光栅纳米测量块，其特征在于还包括有引入外部电 源的电源接口，所述电源接口分别与所述DSP浮点运算芯片、光栅调理电路电连接以供电。
3. 根据权利要求1所述的大行程光栅纳米测量块，其特征在于所述DSP浮点运算芯 片型号为TMS320F28335。 >
4. 根据权利要求1所述的大行程光栅纳米测量块，其特征在于所述串行通信接口型 号为RS232。
5. 根据权利要求1所述的大行程光栅纳米测量块，其特征在于所述显示器为10位显示屏。
6. 基于权利要求1所述的大行程光栅纳米测量块的测量方法，其特征在于外部光栅采集位移信号，将位移信号通过光栅接口传输至光栅调理电路，DSP浮点运算芯片在内部时 钟定时触发下，通过所述A/D输入电路采样光栅调理电路调理后的外部光栅的正弦电压、 余弦电压和零偏电压信号，采样得到的采样值与所述外部光栅的实际位移值相对应；所述 采样值通过DSP浮点运算芯片处理后得到光栅细分增量值，对光栅细分增量值求算术和得 到光栅纳米测量值；所述光栅纳米测量值通过DSP浮点运算芯片的I/O 口传输至显示器中 显示，并通过DSP浮点运算芯片的串行通信接口传输至外部上位机中。
全文摘要
本发明公开了一种大行程光栅纳米测量块及其测量方法。测量模块包括光栅接口、光栅调理电路、显示器、串行通信接口、电源接口以及DSP浮点运算芯片，DSP浮点运算芯片内固化了零辨向细分软件。本发明方法摆脱了独立的辨向电路或辨向算法的约束，使得光栅测量分辨率与辨向分辨率在纳米级和亚纳米级上达到了一致，满足了大行程范围内的纳米测量和实时控制要求，可广泛应用于超精密工作台的测控领域、在线高精度测量领域。测量模块设计时的测量行程范围±2m，与粗光栅配套后的测量分辨率1-2nm、测量速度范围0-100mm/s。
文档编号G01B11/02GK101793498SQ201010125329
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者徐从裕 申请人:合肥工业大学