一种基于圆光栅传感器的位移测量装置、方法以及电路处理单元

1.本发明属于精密仪器测量技术领域，具体涉及一种圆光栅传感器的线位移测量装置、方法以及电路处理单元。


背景技术：

2.在当前制造业领域中，精密测量技术是非常重要的关键环节。超精密测量技术是当前制造业的尖端技术之一。随着制造业的不断发展，人们在国防工业、航空航天、精密光学、生物医疗、精密加工与制造、微操作机器人等领域对超精密测量系统的精度，量程，测量速度等方面的要求日益提高。圆光栅传感器以莫尔条纹作为测量基本单元，通过莫尔条纹与栅距的对应关系完成位移测量。光栅传感器测量范围较大，对于大量程测量场合比较适用，对工作环境要求比较低，系统自身结构比较简单，制造成本也比较低。
3.传统的位移测量传感器有电容传感器，激光干涉仪等，电容传感器依据电容量与位移之间的对应关系完成位移测量，系统结构比较简单，而且分辨率也比较高，但是其自身频率响应相对较低，测量范围也比较小，对于要求高速、动态及大量程测量的场合不太适用。
4.激光干涉仪依据干涉条纹与位移的对应关系完成位移测量,测量范围较大，对于大量程测量场合比较适用，可是该系统对测量场合的环境要求比较严格，整体结构比较复杂，制造成本也比较高。
5.圆光栅传感器以莫尔条纹作为测量基本单元，通过莫尔条纹与栅距的对应关系完成位移测量，测量范围较大，对于大量程测量场合比较适用，对工作环境要求比较低，系统自身结构比较简单，制造成本也比较低。传统的光栅尺位移测量装置应用于数控机床等领域，光栅尺的设备体积大，分辨力较低，不适合对于精密零件设备的测量，对于精密零件的测量多使用游标卡尺测量，测量误差较大。
6.目前提高光栅测量精度基本是从以下两个方面入手:
7.(1)通过提高光栅的刻线密度来实现，但在制作工艺上难度很大，成本也很高，同时，栅距越小，对光学系统和机械结构的要求也就越严格，光栅的极限运动速度也会随之降低；目前国内外在长度计量领域内所用的光栅线数为20-2000线/mm，对应的栅距为0.5-50μm，全息光栅每毫米线数可以做到6000线，对应的栅距为0.17μm，但全息光栅的制作方法同样存在大量程光栅难以制作的问题，因为很难得到两束非常宽的单色平行光，所以全息光栅都比较短，而且当光栅密度过高时，对光源波长有相应的要求，使应用受到限制。无论是刻划光栅、全息光栅，还是它们的复制光栅，都无法做得太长。
8.(2)通过细分技术提高光栅位移测量精度。莫尔条纹对光栅栅距进行了光学放大，并且与栅距是一一对应的关系，莫尔条纹细分要解决的问题是当光栅处于一个莫尔条纹之内时即对应着一个栅距之内时，如何判断出其准确的位移值，这就需要对一个周期内的条纹信号进行插值即细分，以求达到更高的分辨力和精度。
9.目前市场上的光栅信号细分系统种类较少，实用性及扩展性不足。传统的硬件细分电路结构繁琐，电路之间会产生干扰且难以修改不利于扩展。所以为了更好的解决这些问题，本发明采用fpga芯片作为硬件核心架构，并且运用fpga的逻辑资源对光栅信号进行处理。这样不仅降低了硬件设计的复杂程度和节约了实现成本，而且用fpga可编程逻辑器件代替硬件电路，还能减少各电路之间的干扰。同时运用fpga设计的电路可以通过修改程序改变fpga逻辑资源之间的连线，便可实现新的功能，有利于细分系统的修改跟扩展。并且在硬件细分的基础上再对光栅信号进行软件细分，进一步提高光栅测量的精度。
10.综上所述，本发明采用圆光栅传感器设计出一种小体积的位移测量装置，可对精密零件进行尺寸的测量。本方案的测量装置包括光栅信号的前端+后端的两级处理，其中前端处理主要实现对信号的一级优化，后端处理采用软件技术进行二级补偿，其中信号处理模块采用fpga(现场可编程门阵列)技术，能够大大提高信号处理的速度和准确度，从而对精确测量提供保障。


技术实现要素：

11.本发明的目的是为了解决现有测量技术中存在的问题，而提出一种基于圆光栅传感器的小型位移测量装置，实现信号的补偿细分功能，来提高测量的分辨率，以及圆光栅传感器所测角度位移转换成直线位移的功能。
12.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
13.本发明所述的一种基于圆光栅传感器的高精度直线位移测量装置的电路处理单元，包括圆光栅传感器、稳压电源模块、原始信号前置处理电路模块、单路高速ad信号采集模块、双路高速ad信号采集模块，fpga信号处理单元，数显以及按键功能切换模块、高精度螺纹丝杆转换模块、光栅信号细分模块等。首先通过机械转动，由高精度螺纹丝杆转换模块带动圆光栅传感器做线位移，圆光栅传感器输出两路光栅信号，传递到原始信号前置处理电路模块，经过信号调理滤波后，分成两路传递，一路传递到单路ad信号采集模块，另一路传递到双路ad信号采集模块，经过信号采样后，信号经过fpga信号处理单元处理后，通过辨别圆光栅传感器的正转反转，进行脉冲数的加减计算，计算出大数值部分，再由最小周期的构建函数法得到细分小数值，最终位移值等于两部分相加，通过数显模块显示对应位移数值。
14.圆光栅传感器位移测量装置如图1所示。
15.所述的圆光栅传感器：圆光栅传感器输出a、b两路差分信号，a+和a-是一路差模信号，b+和b-是另一路差模信号，a、b两路信号是相位差90度的正弦信号，圆光栅传感器是中空圆形结构，安装在高精度螺纹丝杆的一端。圆光栅传感器采用的是海德汉ern1381增量式光栅传感器，它的供电电压为5v，输出a+和a-，b+和b-，r+和r-三路信号，其中a和b为正弦输出信号，r为转动一圈的零位信号。两路光栅信号如图2所示。
16.所述的稳压电源模块：为圆光栅传感器以及整个单元提供稳定的电压源，电压源大小可用旋钮进行调控，圆光栅编码器供电电压为5v，输入输出电压电流大小由数码管显示。
17.所述的原始信号前置处理电路：原始信号前置处理电路包括差分放大电路模块、低通滤波电路模块、二次放大电路模块、比较器电路模块、多路复用选择电路、辨向电路和
绝对值电路模块。
18.所述的差分放大电路模块有两个，分别接入圆光栅传感器输出的a+和a-、b+和b-两路差分信号，a+和a-、b+和b-叫差模信号。采用差分放大电路，有利于抑制共模干扰和减小温度漂移。运发芯片使用的是opa2604，具有超低谐波失真、低噪声、高增益带宽等特点，内置双通道，该运放具有负反馈特性，因此该电路的带宽、阻抗和输入端等特性不影响制造过程的变化和温度系数。
19.所述的低通滤波电路模块，采用二阶低通巴特沃斯滤波器，增加rc环节，可以使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率值加大，从而提高系统的滤波能力。巴特沃斯滤波器的品质因数q＝0.707，其幅频特性无峰值，在f＝f0附近的幅频特性曲线为单调减，选用合适的电阻与电容的值，设计该低通滤波器的截止频率f0。
20.所述的二次放大电路，因为当原始的光栅信号经过前期的噪声处理电路及差分电路，信号被削弱，幅值无法达到5v。将前级处理后的电路进行电压幅值放大，将峰值电压稳定在5v，以便于后续比较器电路和a/d采样电路的处理。
21.所述的比较器电路，是为了将原始的正弦信号转换成方波信号，实现信号的细分辨向。采用过零比较放大器，将相位差为90
°
的两路正弦信号，输出为相位相差90
°
的两路方波信号，为后续的多路复用电路和fpga细分辨向提高平信号基础。
22.所述的多路复用选择电路，它的作用是将绝对值电路的输出信号|sinθ|、|cosθ|的幅值进行比较，模拟选择器输入端的信号经过选择后，输出至跟随器的输入端。选用的模拟选择器型号是dg409,内置8个输入通道。dg409通过a0、a1端口来控制选择通道，若将高位a1端至于低电位，通过比较器输出的信号来控制a0端的电位，从而可实现dg409通道的选择。当a0＝0时，即|sinθ|《|cosθ|，通道s1a和s1b打开，s1a输入|sinθ|信号，s1b输入|cosθ|信号；当a0＝1时，即|sinθ|》|cosθ|，通道s2a和s2b打开，s2a输入|cosθ|，s2b输入|sinθ|信号。两路信号分别再由da和db两个端口输出，其中da端始终输出比较后的大电压，db端输出比较后的小电压，然后再将u
min
输入到高速a/d采样芯片的模拟电压输入端，将u
max
输入到a/d采样芯片的参考输入端。
23.所述的辨向电路，相位相差90
°
的两路方波信号a和b，首先进行同步消抖处理，并提取去抖后a信号的上升沿和下降沿，通过判断条件来控制左转标志和右转编制进行上拉和下拉，对左转和右转标志进行上升沿检测，当左转时，控制计数器加一，当右转时，控制计数器减一。其中判断条件如下:1)a信号为上升沿，b信号为低电平，则光栅传感器右转，当a信号为下降沿，b信号为高电平，则一次右转结束；2)当a信号的上升沿，b信号为高电平，则光栅传感器左转，当a为下降沿的时候，b为低电平，则一次左转结束。
24.所述的绝对值电路，为了构造新函数公式3所示，需将光栅输出的正余弦信号做绝对值处理，以便后续的采样处理。由于测量的位移是不断变化的。若选择简单的绝对值电路，波形容易失真。为使该系统能够在输入信号频率不断变化的情况下稳定工作，本文选择了精密高速的绝对值电路。较普通的绝对值电路，该电路在滤波处理及电源去耦等方面的能力有了较大幅度的提高，且能保证在动态测量的情况下该系统仍能稳定工作。
25.所述的高速ad信号采样模块分为单路和双路：当拨码开关选中模式一时，经过模拟电路函数构造后，使用的是一路ad采样通道，选用的ad芯片是ad9280，ad9280是adi生产的一款单芯片、8位、32msps模数转换器，具有高性能，低功耗的特点；当拨码开关选中模式
二时，使用的是两路ad采样通道，高速ad转换芯片由恩瑞浦公司生产的，型号是3pa1030，3pa1030芯片的输入模拟电压转换范围是0v～2v，所以电压输入端需要先经过电压衰减电路，使输入的-5v～+5v之间的电压衰减到0v～2v之间，然后经过3pa1030芯片将模拟电压信号转换成数字信号。3pa1030是一款恩瑞浦推出的单电压芯片，10位，50msps(million samples per second，每秒采样百万次)模数转换器，集成片上采样保持放大器和基准电压源。具有高性能低功耗的特点。
26.所述的fpga信号处理模块：fpga是一种高精密度的可编程逻辑器件，连接高速ad采样模块，当丝杠转动时圆光栅传感器中间轮毂一起转动，从而发生角度位移产生光栅信号。fpga芯片型号ep4ce10f17c8，fpga信号处理单元采样光栅模拟信号，转换成数字信号，由软件补偿模块对采样的信号进行处理，需要保证两路信号的一致性，处理之后的信号，再供数据处理逻辑电路模块进一步的数据运算，得到整个细分数据。其中，软件补偿模块包含直流分量补偿、等幅性补偿，正弦性补偿，正交性补偿四个模块,其中由于使用的海德汉ern1381型号光栅编码器输出信号的正弦性，在出厂时已做调整，故本发明方案不对信号正弦性补充进行处理。
27.所述的直流分量补偿模块主要是为了实现两路信号直流分量的大小相同。因为实际情况下，光栅莫尔信号的两路正弦信号存在大小不同的差异，因此需要对其进行直流误差补偿。直流误差补偿一般有模拟电路补偿和数字式补偿两种方法。模拟补偿法通常采用差分电路结构来消除原始信号中共模电压的干扰。由于模拟器件容易受到温度变化影响，致使器件性能随温度的变化而变化，因此不能完全去除莫尔信号中直流误差分量。数字式误差补偿方法是通过对采样到的信号幅值进行逐点比较，然后对整周期内求取最大值的方法计算直流误差。光栅莫尔信号直流误差等于信号整周期最大值和最小值的均值，表达式即：
28.u
dc
＝(u
max-u
min
)/2
29.u
dc
为光栅莫尔信号的直流误差，根据光栅莫尔条纹信号参数的连续性，可利用相邻周期信号参数变化平滑缓慢的特点，依据当前周期检测到的直流误差量，在下一个信号周期内对信号逐点进行直流误差补偿，从而实现信号的直流误差补偿。
30.所述的等幅性补偿模块主要是为了实现两路信号幅值的一致性。莫尔信号幅值误差补偿可通过搭建运算放大电路实现复制的误差补偿，但由于硬件电路本身条件的限制，无法做到高精密的误差补偿，而且由于外在噪声的干扰，且无法实现精密乘除法运算，因此对于不同工况下的信号幅值无法进行精确补偿。本发明采用的莫尔信号数字式幅值误差补偿是对采样后的莫尔信号求取最大值，以标准信号幅值为基准分别计算两路莫尔信号相对于标准信号的幅值偏差。幅值误差检测表达式为：
31.u
1max
＝max(u
11
，u
12
，u
13
……u1a
)
32.u
2max
＝max(u
21
，u
22
，u
23
……u2a
)
33.θ1＝(u
0-u
1max
)/u034.θ2＝(u
0-u
2max
)/u035.式中a为每个周期的采样点数，u0为标准的信号幅值，u
11
、u
12
、u
13
……u1a
和u
21
、u
22
、u
23
……u2a
为两路信号所测电压值，u
1max
和u
2max
分别为两路信号的最大值，θ1和θ2为两路莫尔信号相对于标准信号的幅值偏差系数。
36.莫尔条纹信号具有参数连续性，根据当前周期检测到的幅值偏差系数，可以对下一周期的光栅莫尔信号进行逐点补偿。由于fpga器件含有乘法器和除法器等资源，因此可快速的实现精密乘法和除法运算，从而实现莫尔信号幅值误差补偿，提升信号的质量为后续高倍细分提供基础。
37.所述的正交性补偿模块主要是为了保证两路正弦信号相位相差值为90度。正交误差补偿的关键性问题是解算正余弦莫尔信号的三角函数值，鉴于fpga对流水线运算的优势，采用cordic算法进行角度值解算。
38.在相位误差检测环节，分别计算两路正弦信号和余弦信号的反正弦和反余弦值，通过计算两路信号的差值得到余弦信号的相位偏差。检测相位差时，以正弦信号为基准，来提高系统检测精度和速度，减小运算量和资源消耗，通过选取光栅正弦信号区间范围内对应的光栅余弦信号，计算出相位差。
39.相位补偿时，先对光栅余弦信号整周期计算反余弦值，然后根据相位差的检测结果对光栅余弦信号相位进行点对点补偿。将补偿后的光栅余弦信号相位信息转化为幅值信息，达到信号重建的目的，方便后续幅值细分模块对光栅莫尔信号细分值的计算。
40.所述的数显以及按键功能模块：码制转换和数码管显示功能，按键模块功能主要起到单位的换算、位置清零、初始化装置、调零等作用。
41.所述的高精度螺纹丝杆转换模块：通过高精度螺纹丝杆的机械传动作用，结合丝杆的螺距和圆光栅传感器角度位移量，能够推导计算出丝杆的直线位移量。高精度丝杆转换模块与圆光栅传感器相连接，下方固定于底座上以保持整个装置的稳定性。
42.所述的光栅信号细分模块：本发明方案采用的是电子学幅值分割细分法，对于采样到的正余弦信号无法直接量化细分，正余弦信号具有非线性，因此需要构造线性良好的光栅信号，以便提高光栅信号测量的精度。幅值分割细分方法中构造正切函数细分基本克服了信号非线性的误差并且不需要测量出信号的幅值。正切函数法主要是利用光栅信号的两路相位相差90度的正余弦信号的比值，基本上消除了幅值波动导致的非线性误差，据此可以推出相应的位移值。光栅信号正切函数构造如图3所示，其中光栅信号和构造的正切函数公式如下，
43.u1＝a sinθ
44.u2＝a cosθ
[0045][0046][0047]
通过采样计算得到函数幅值x＝|tanθ|或x＝|cotθ|，通过反正切计算出相应的θ,从而可确定位移值。构造的近似线性函数将原始光栅信号的一个周期8等分，每一个区间的区域值为π/4。需要提前判断两路信号u1和u2的极值和绝对值的大小，从而实现8等分，将一个周期分为8个区间。在一个区间内，按照信号绝对值比值大小还可以实现若干细分。八细分卦限细分如图4所示，在1、4、5、8区间用公式|tanθ|，在2、3、6、7区间用公式|cotθ|，上述区间中的|tanθ|或|cotθ|值都在0到1之间变化，因而可用0
°
到45
°
间的|tanθ|值来表示。这
样，在fpga中固化一个rom表，设定细分倍数n，则用n个存储单元固化0
°
～45
°
间的n个正切值，处理器在这个rom表中查询与已经算出的|tanθ|或|cotθ|值最接近的存储单元。如果测量的值是存储单元的第k个单元，则根据细分公式找到细分倍数区间，从而计算出位移值。圆光栅传感器光栅信号细分系统如图5所示。圆光栅传感器单路ad采样细分程序流程如图6所示。
[0048]
本发明的有益效果：
[0049]
1、本发明设计了原始信号前置处理电路模块，能够大幅降低掉干扰信号和噪声的影响，同时完成对光栅原始信号的前期转换处理。经过差分放大电路的处理之后，共模信号干扰得到了抑制，但是由实验环境，电子器件和实验设备的带来的不确定扰动的所引起的噪声信号也得到了放大，这些信号很明显并不是我们所需要的，这些信号的强度过大将会影响我们对正常信号的处理，需要将这些噪声信号过滤掉。在经过前两个模块电路之后，去除了系统中的共模信号和环境等因素影响而造成的扰动噪声。为了使信号幅值得到调节，又设计了新的放大电路，对得到的信号进行二次放大，最终使两路信号的幅值相同。
[0050]
2、本发明中采用fpga芯片作为处理器，能够大大加快数据的处理速度，提高整个系统的稳定性。采用cordic算法实现对构造函数的反正切角度解算功能。cordic算法是一种数值逼近的迭代算法，可通过简单加减和移位运算便可以实现三角函数的计算。通过非循环流水线结构，实现cordic算法的迭代过程。流水线结构是fpga常用的设计架构之一，在流水线的每一个环节fpga只处理一次迭代运算，这种方法通过消耗fpga内部寄存器资源从而提高了系统运行频率，简化了设计。
[0051]
3、本发明通过对采样数据进行算法补偿，能够有效提高位移测量装置的准确性。针对莫尔信号直流分量、等幅性、正交性和正弦性等误差因素，建立级联关系模型，设计一种前端处理电路+自适应补偿算法的模型。
[0052]
4、由于莫尔条纹信号经过调理后得到的是正弦信号，而正弦信号的幅值无法根据相角来均匀分割，其线性度太差，越靠近峰值时，相同的幅值变化就需要越大的相位变化，显然这并不利于系统的计算，需要寻找其他方法解决莫尔条纹信号线性度差的问题。针对这一问题，可以通过构造新函数的方式来解决，用线性度良好的函数代替莫尔条纹的信号。将其构造成线性度较好的函数，这样可以减小细分的非线性误差，提高测量精度。采用的构造函数的方法是通过正切法，所谓正切就是调理后的两路正交的正弦信号相除。
[0053]
5、本发明提出了将圆光栅传感器与丝杆结合的方法，其中丝杆采用的是滚珠丝杆，滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，通过机械传动将角度位移转换成线位移，由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率，本发明装置体积小，分辨率高，传动效率好适用于精密零件的测量。
[0054]
6、本发明中测量装置包括两种模式的数字细分系统，根据实际工况的要求，通过拨码开关来选择其中一种模式。模式一采用的是硬件函数算法的构造，通过对光栅信号的处理，来实现细分的目的。模式二是前端处理模块实现对信号的一级优化，后端处理采用软件技术进行二级补偿，信号采集后，在fpga内部实现coedic算法，其中信号处理模块采用fpga(现场可编程门阵列)技术。两种模式自由切换，可改变测量的分辨率，能够大大提高信号处理的速度和准确度，从而对精确测量提供保障。
附图说明
[0055]
图1为圆光栅传感器位移测量装置示意图。
[0056]
图2为光栅信号细分区间示意图。
[0057]
图3为光栅信号正切函数构造示意图。
[0058]
图4为八细分卦限示意图。
[0059]
图5为圆光栅传感器光栅信号细分系统示意图。
[0060]
图6为圆光栅传感器单路ad采样细分程序流程框图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0062]
如图1所示，本发明的实物结构示意图，本发明装置包括圆光栅传感器1、高精度螺纹丝杆2、金属材质圆柱头3、挡板4、固定螺丝5、支脚6、电路处理单元7、调节按钮8、数显数码管9、底板10、螺纹旋钮11、丝杆固定支架12、锁定纽扣13。其中，圆光栅传感器1是中空结构，中间轮毂与高精度螺纹丝杆2连接，高精度螺纹丝杆2转动从而带动圆光栅传感器1中间的轮毂转动。高精度螺纹丝杆2与丝杆固定支架12连接，丝杆固定支架与底板10连接，保证装置的稳定性。挡板4与底板10连接，挡板4用于测量物体一端的固定，与金属材质圆柱头3，将测量物体固定于中间位置。螺纹旋钮11采用螺纹突出构造，安装在高精度螺纹丝杆2的尾部，可进行顺时针或逆时针旋转，转动螺纹旋钮11可以带动高精度螺纹丝杆2的转动。锁定纽扣13安装在丝杆固定支架12上，通过转动能够机械限制丝杆的转动，用于测量装置的锁定与工作状态的切换，顺时针扭动处于工作状态，逆时针扭动状态处于锁死状态。金属材质圆柱头3安装在高精度螺纹丝杆2的前端，其主要作用是与被测物接触，将被测物体固定住。电路处理单元7固定于底板10的下方，其中包括电源模块、信号处理模块、数据采集模块、fpga处理器模块、数码管显示模块、按键控制模块。数显数码管9安装在电路处理单元7盒子的外面，有6个数码管依次排列，用于显示测量位移的大小。调节按钮8安装在数显数码管9的右下方，有三个按钮从左往右，第一个按钮的功能是置零，第二个按钮的功能是码制切换，第三个按钮的功能是数值锁定。
[0063]
更具体地，支撑机构包括支脚6，支脚6通过固定螺丝5与底板10相连，支脚6的两端有与固定螺丝5对应的螺丝孔，底板10的底部有可调节的与固定螺丝相连的螺丝孔。支脚6通过固定螺丝5与底板10相连，目的是为了调节支脚9在底板7上面的位置，方便调节两个支脚9之间的距离，以供不同的情况下使用。
[0064]
该装置的测量过程：首先旋转锁定纽扣13，切换至工作状态，通过调节按钮8设置初始位置、测量分辨率、测量码制转换等，然后将测量物体放置于挡板4和金属材质圆柱头3中间，通过旋转螺纹旋钮11带动高精度螺纹丝杆2前后移动，同时圆光栅传感器1也跟随转动，当被测物体被挡板4和金属材质圆柱头3顶住时，圆光栅传感器1的信号经过电路处理单元7后，在数显数码管9上显示位移测量的数据，完成一次完整的测量过程。
[0065]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。