CN101793498A - 大行程光栅纳米测量块及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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±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***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Δn1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Δn1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测量块，其特征在于：所述DSP浮点运算芯片型号为TMS320F28335。
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。
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。
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。
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：(1)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***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***设备连接构成测控***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±2m、测量分辨率1-2nm、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。
附图说明
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；***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。Δn2为测量值的细分增量值。Δn2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Δn2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。
Claims (6)
1.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。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108444393A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-08-24 | 合肥工业大学 | 一种双a/d跨尺度光栅位移测量装置及方法 |
| CN109551302A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-04-02 | 安徽理工大学 | 一种基于dsp的xy工作台光栅信号实时采集*** |
| CN112129228A (zh) * | 2019-06-25 | 2020-12-25 | 宝山钢铁股份有限公司 | 精确测量高温板坯长度尺寸的方法及*** |
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2010
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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