CN102645167A - 绝对位移测量装置 - Google Patents

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孙强
张晓沛
曾琪峰
乔栋
徐志军
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Abstract

绝对位移测量装置，涉及一种绝对位移测量装置，解决现有的绝对位移测量装置中器件定制成本高，信号处理难度较大的问题，包括标准光栅、扫描掩膜、光源、光学***、光电探测器及信号处理电路，其中，标准光栅进一步包括条增量码道，条绝对码道，n条参考位置码道。增量码道包括第一明暗条纹按照第一增量周期沿测量方向排列，绝对码道包含绝对位置信息的图案沿测量方向排列，每条参考码道包括明暗条纹按照一种增量周期沿测量方向排列，该周期比增量码道周期长。光源发出光线经光学***由标准光栅照射到扫描掩膜上，该光电探测器接收到绝对位置信号、参考位置信号及细分信号。信号处理电路处理来自光电探测器接收到的光信号得到位置值。

Description

绝对位移测量装置
技术领域
本发明涉及一种绝对位移测量装置，用于测量长度的精确测量仪器。
背景技术
光栅位移传感器是现代位移测量***普遍采用的位置读出装置，以角度和长度测量装置的形式广泛使用在机床工业及其它加工、操纵和试验***中，其性能影响到机械加工的质量。
目前，公知的用来精密测量物体的移动位移的工具的光栅尺主要包括增量式和绝对式两种。其中绝对式光栅尺逐渐得到较大的应用，其主要优点就是不需要寻找参考原点，可以在断电以后，任何给电时对位置进行测量，这对于回零操作比较困难的***特别有用，因此，其在高档数控机床上有很广泛的应用前景。
一般绝对位移测量装置有两轨道和三轨道两种，这两种都是利用绝对码道产生绝对位置信息，增量码道产生高细分相对位置信息，两轨道的绝对式光栅尺的绝对码道还用于产生参考位置信息，用于确定处于哪一个增量周期。而三码道的绝对式光栅尺通过增加一个码道来完成这个功能。但是这些光栅尺都需要专门定制的感光器件，像元尺寸都很小，积分效应不够，从而像元本身的抗污染能力不强，而且光栅尺的速度也受到探测器响应频率的严格限制，如果能够设计出不需要小像元的光栅尺，那么对于提高测量速度和可靠性方面都是有利的。
发明内容
本发明为解决现有的绝对位移测量装置中器件定制成本高，信号处理难度较大的问题，提供一种绝对位移测量装置。
绝对位移测量装置，该装置包括光源、光学***、标准光栅、扫描掩膜、光电探测器和信号处理电路，所述标准光栅包括绝对码道、增量码道和n条参考码道；且绝对码道、增量码道和n条参考码道相互平行排列，所述绝对码道上包含绝对位置信息的图案，增量码道包括按照第一增量周期沿测量方向排列的第一明暗条纹，每条参考码道包括按照一种增量周期沿测量方向排列的明暗条纹，所述参考码道的周期比增量码道的周期长；n为正整数，且n大于等于2；
所述光源发出光线经光学***转换为准直入射光线，所述准直入射光线通过标准光栅反射或透射至扫描掩膜后被光电探测器接收，所述光电探测器接收经标准光栅上的绝对码道、n条参考码道和增量码道后分别形成绝对位置信号、n条参考位置信号和细分信号并输出至信号处理电路进行处理，所述信号处理电路输出精确的绝对位置信号。
本发明的有益效果：本发明所述的绝对位移测量装置不需要小于1000微米的感光像元，能够有效的增强探测器单元的积分效应，从而有利于进一步提高抗污染能力，通过增加的码道可以改变***读数的分辨率，从而可以有效的提高位移测量的速度和加速度性能，而且扫描掩膜与标准光栅配合对入射光进行光栅过滤处理，得到两路分别代表完全透光区域和完全不透光区域的信号，确定了参考位置信号，解决了绝对位置粗读数与细分读数的问题；且上述设置确定的参考位置信号为一光学平均信号，无需再进行电子平均，不仅具有抗污染能力，而且简化了读数电路。
附图说明
图1为本发明所述的绝对位移测量装置的光学结构示意图；
图2为本发明所述的绝对位移测量装置中信号处理电路的工作原理图；
图3为本发明所述的绝对位移测量装置中标准光栅的示意图；
图4为具体实施方式二中的标准光栅的结构示意图；
图5为本发明所述的绝对位移测量装置读取的绝对位置信号的示意图；
图6为本发明所述的绝对位移测量装置中扫描掩膜的示意图；
图7为本发明所述的绝对位移测量装置中光电探测器的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，绝对位移测量装置，该装置包括绝对位移测量装置，该装置包括光源1、光学***2、标准光栅3、扫描掩膜4、光电探测器5和信号处理电路6，所述标准光栅3包括绝对码道3-1、增量码道3-2和n条参考码道3-3；且绝对码道3-1、增量码道3-2和n条参考码道3-3相互平行排列，所述绝对码道3-1上包含绝对位置信息的图案，增量码道3-2包括按照第一增量周期沿测量方向排列的第一明暗条纹，每条参考码道3-3包括按照一种增量周期沿测量方向排列的明暗条纹，所述参考码道3-3的周期比增量码道3-2的周期长；n为正整数，且n大于等于2；
所述光源1发出光线经光学***2转换为准直入射光线，所述准直入射光线经扫描掩膜4入射至标准光栅3，经所述标准光栅3上的绝对码道3-1、n条参考码道3-3和增量码道3-2后分别形成绝对位置信号、n路参考位置信号和细分信号，所述光电探测器5接收绝对位置信号、n路参考位置信号和细分信号并输出至信号处理电路6进行处理，所述信号处理电路6输出精确的绝对位置信号。
本实施方式所述的光源1发出的光线经光学***2转换为准直入射光线，所述准直入射光线经扫描掩膜4照射到标准光栅3上，经标准光栅3反射或透射后的光线被光电探测器5接收。所述光源1可为激光二极管，发出相干光。
本实施方式所述的光源1发出的光线经光学***2转换为准直入射光线，所述准直入射光线通过标准光栅3反射或透射至扫描掩膜4后被光电探测器5接收。
本实施方式所述的信号处理电路6包括绝对位置信号处理单元6-1、参考位置信号处理单元6-2、细分位置信号处理单元6-3和高精度绝对位置合成单元6-4；
所述参考位置信号处理单元6-2对光电探测器5输出的n路参考位置信号进行处理，得到筛选信号和初步细分信号，初步细分信号进入高精度绝对位置合成单元6-4；
所述细分位置信号处理单元6-3对光电探测器5输出的细分位置信号进行处理，得到细分位置值至高精度绝对位置合成单元6-4；
所述绝对位置信号处理单元6-1对光电探测器5输出的绝对位置信号和筛选信号进行处理，得到绝对位置的粗读信号至高精度绝对位置合成单元6-4；
所述高精度绝对位置合成单元6-4对初步细分信号、细分位置值和绝对位置的粗读信号进行位移合成，得到高精度位置值。
本实施方式所述的n条参考码道3-3中至少两条码道包含的周期不相同，周期较小的参考码道3-3的周期小于绝对码道3-1的最小刻线宽度。
本实施方式所述标准光栅3上的绝对码道3-1、n条参考码道3-3和增量码道3-2的刻划精度从低到高依次排列为，绝对码道3-1、周期较大的参考码道3-3、周期较小的参考码道3-3和增量码道3-2。所述较大周期的参考码道3-3的周期是较小周期的参考码道3-3的周期的整数倍。
具体实施方式二、结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的绝对位移测量装置的实施例：
本实施方式按照有两条参考码道来进行叙述绝对位移测量装置的工作流程，即参考码道条数表示为n，并取n为2，其它n不为2的情况工作方式本质上相同。
结合图3和图4，标准光栅3包括绝对码道3-1、第一参考码道3-3-1和第二参考码道3-3-2，以及增量码道3-2。该绝对码道3-1、第一参考码道3-3-1、第二参考码道3-3-2及该增量码道3-2依序相互平行排成一列。该增量码道3-2为具有某一周期D4的增量刻轨，其透光和不透光部分具有相同的周期。第二参考码道3-3-2也为一增量刻轨，其透光和不透光部分同样具有相同的周期D3，且其透光和不透光部分分别较增量码道3-2的透光和不透光部分的宽度大。第一参考码道3-3-1也为一增量刻轨，其透光和不透光部分同样具有相同的周期D2，且其透光和不透光部分较第二参考码道3-3-2的透光和不透光部分的宽度大。该绝对码道3-1上面是表征绝对位置信息的图案是伪随机码（在本例中为M序列），各码元的码字按顺序的排列在码道上，在图4中分别标注为：“C1、C2、C4、C5、C6……”。其中，每一码元随机的代表具有相同宽度D1的透光部分或不透光部分，可设定透光部分和不透光部分分别代表‘0’或者‘1’，则该连续的若干码元，构成一个完整的码字，对应唯一的一个绝对位置值。需要补充的是，这里的绝对码道3-1与第一参考码道3-3-1之间有预先确定的相位关系，第一参考码道3-3-1与第二参考码道3-3-2之间有预先确定的相位关系，第二参考码道3-3-2与增量码道3-2之间有预先确定的相位关系。第一参考码道3-3-1刻线周期D2是第二参考码道3-3-2刻线周期D3整数倍；本实施方式中为4倍关系，D2=4*D3，第二参考码道3-3-2刻线周期D3是增量码道3-2刻线周期D4整数倍，本实施方式中为4倍关系，D3=4*D4。假定D4=20微米，则D3=80微米，D2=320微米。对于n条参考码道3-3，各包含周期各不相同的参考码道3-3，其中周期最小的参考码道3-3周期小于绝对码道的刻线宽度。较大周期的参考码道3-3的周期是较小周期的参考码道3-3的周期的整数倍，并且至少2条参考码道3-3包含周期各不相同，其中周期较小的参考码道3-3周期小于绝对码道的刻线宽度。
第一参考码道3-3-1、第二参考码道3-3-2和增量码道3-2分别都是由等周期的图案(周期分别为D2、D3、D4)排列的,由于莫尔条纹的平均作用，对于每个周期图案的刻划精度要求不高，一般对于绝对码道3-1的图案刻划精度要求更高，这是因为在整个测量长度内，每个码字长度的图案都是唯一的，但是绝对单元宽度越大，对于边缘刻划精度的要求就会越低，本发明的有益效果之一就是降低了绝对码道3-1的刻划精度，同时降低了绝对码道探测单元阵列5-1的位置精度要求。需要提出的是各个参考码道3-3和绝对码道3-1以及增量码道3-2可以在垂直于测量方向的方向上按照任意排列组合平行地沿测量方向排列。
结合图6，本实施方式中的扫描掩膜4包括第一刻轨4-2、第二刻轨4-3、第三刻轨4-4及全透明部分4-1，分别对应第一参考码道3-3-1、第二参考码道3-3-2、增量码道3-2、绝对码道3-1；所述第一刻轨4-2上的刻线排布由四组刻线组成，四组刻线之间相位差为90°，与第一组的相位差分别为0°、90°、180°和270°。该第二刻轨4-3上的刻线排布也由四组刻线组成，四组刻线之间相位差为90°，与第一组的相位差分别为0°、90°、180°和270°。该第三刻轨4-4上的刻线排布也由四组刻线组成，四组刻线之间相位差为90°，与第一组的相位差分别为0°、90°、180°和270°。其中，第一刻轨4-2、第二刻轨4-3和第三刻轨4-4刻线周期为D2、D3、D4分别与标准光栅3中对应的第一参考码道3-3-1、第二参考码道3-3-2和增量码道3-2的周期相同。所述第一刻轨4-2上的透光和不透光部分具有相同周期，但二者宽度不同，每一不透光部分的宽度较每一透光部分窄。但第一刻轨4-2上一透光部分与不透光部分的宽度之和与该第一参考码道3-3-1上一透光部分与不透光部分的宽度之和相等。同样，该第二刻轨4-3上的透光和不透光部分具有相同周期，但二者宽度不同，每一不透光部分的宽度较每一透光部分窄。但所述第二刻轨4-3上一透光部分与不透光部分的宽度之和与该第二参考码道3-3-2上一透光部分与不透光部分的宽度之和相等。该全透明部分4-1与该标准光栅3上的绝对码道3-1相对应。在本实施方式中，参考码道3-3对应的扫描掩膜4上的第一刻轨4-2和第二刻轨4-3的透光部分与不透光部分的宽度比都为3:1，参考码道3-3对应的标准光栅3上第一参考码道3-3-1和第二参考码道3-3-2透光部分与不透光部分的宽度都比为1:1。
结合图7，光电探测器5由用于绝对信号测量的绝对码道探测单元阵列5-1、用于第一参考信号测量的光敏二极管组5-2、用于第二参考信号测量的光敏二极管组5-3、用于增量信号测量的光敏二极管组5-4，分别对应于绝对码道3-1、第一参考码道3-3-1、第二参考码道3-3-2、增量码道3-2。
绝对码道探测单元阵列5-1接收扫描到的绝对码道3-1上的黑白条纹信息；用于第一参考信号测量的光敏二极管组5-2具有四小组光敏二极管，用于接收来自透过第一参考码道3-3-1并被扫描掩膜4的第一刻轨4-2调制的光信号，四小组光敏二极管分别接收来自对应四组扫描掩膜4图案的光信号，信号之间相位差为90°。用于第二参考信号测量的光敏二极管组5-3具有四小组光敏二极管，用于接收来自透过第二参考码道3-3-2并被扫描掩膜4的第二刻轨4-3调制的光信号，四小组光敏二极管分别接收来自对应四组扫描掩膜4图案的光信号，信号之间相位差为90°。用于增量信号测量的光敏二极管组5-4具有四小组光敏二极管，用于接收来自透过增量码道3-2并被扫描掩膜4的第三刻轨4-4调制的光信号，四小组光敏二极管分别接收来自对应四组扫描掩膜4图案的光信号，信号之间相位差为90°。这种经过特殊安排的装置，用于第一参考信号测量的光敏二极管组5-2、用于第二参考信号测量的光敏二极管组5-3和用于增量信号测量的光敏二极管组5-4中每个光电探测器读到的信号在进行电子学处理之前就已经经过了平均作用，有利于提高读数***的抗污染能力。
本实施方式的信号处理流程为：
信号处理电路首先通过n条参考码道得到的参考信息和从绝对码道得到的绝对位置信息给出精度高于增量码道周期的绝对位置值，该位置值结合从增量轨道得到的细分信息结合得到绝对位置值。具体为信号处理电路6包括绝对位置信号处理单元6-1、参考位置信号处理单元6-2、细分位置信号处理单元6-3及一高精度绝对位置合成单元6-4。该高精度绝对位置合成单元6-4对上述绝对位置信号处理单元6-1、参考位置信号处理单元6-2及细分位置信号处理单元6-3输出的信号进行合成处理，以输出精确的绝对位置信号。
所述光电探测器5输出其读取的第一参考位置信号S3和第二参考位置信号S2通过滤波和A/D转换进入参考位置信号处理单元6-2，得到筛选信号和初步细分信号，该筛选信号进入该绝对位置信号处理单元6-1及初步细分信号进入高精度绝对位置合成单元6-4。该光电探测器5输出其读取的该细分位置信号S1通过滤波和A/D转换进入到细分位置信号处理单元6-3，得到位置的细分位置值并输入该高精度绝对位置合成单元6-4。该光电探测器5输出其读取的该绝对位置信号S4通过滤波和A/D转换进入到绝对位置信号处理单元6-1；该绝对位置信号处理单元6-1处理该绝对位置信号S4及该筛选信号，通过索引的方式寻找得到该绝对位置的粗读数信号。该高精度绝对位置合成单元6-4对该粗读数信号、该初步细分信号、该细分位置值进行位移的合成，最后得到高精度位置值。
本实施方式所述的绝对位移测量装置的测量过程为：光源1发出光线，经由光学***2转换为准直入射光线，该准直入射光线经由该扫描掩膜4射入该标准光栅3。当该准直入射光线依序通过该全透明部分4-1及该绝对码道3-1后，该绝对码道探测单元阵列5-1读取到构成一个完整码字的光学信号，代表一个粗略的绝对位置信号S4；当该准直入射光线依序经过该第一刻轨4-2及该第一参考码道3-3-1后，得到相互相差四分之一个周期的信号，该用于第一参考信号测量的光敏二极管组5-2的四个读数窗口读到该四个周期的第一参考位置信号S3，相位依次相差四分之一个周期；当该准直入射光线依序经过该第二刻轨4-3及该第二参考码道3-3-2后，得到相互相差四分之一个周期的信号，该用于第二参考信号测量的光敏二极管组5-3的四个读数窗口读到该四个周期第二参考位置信号S2，相位依次相差四分之一个周期；当该准直入射光线依序经过该第三刻轨4-4及该增量码道3-2后，得到相互相差四分之一个周期的信号，该用于增量信号测量的光敏二极管组5-4的四个读数窗口读到该四个正弦信号细分位置信号S1，相位依次相差90°。
下面说明信号处理的具体方法。在图5中示出了读出绝对位置信号的过程，横坐标代表位移，纵坐标代表信号读出值，首先利用第一参考位置信号S3，在参考位置信号处理单元6-2中查表的方式，把D2周期内精度精确到D2/4，利用得到的周期内位移得到绝对位置信号处理单元6-1所需要的绝对位置选择信号，对得到的绝对位置信号S4进行进一步的选择，并在绝对位置信号处理单元6-1中通过查找存储在绝对位置信号处理单元6-1中的编码和绝对位置值对应表来获得对应的粗略绝对位置值；利用第二参考位置信号S2，在参考位置信号处理单元6-2中查表的方式，把D3周期内精度精确到小于D3/4，最终在参考位置信号处理单元6-2中合成在D2周期内精度高于D3/4的参考位置，细分位置信号S1，在细分位置信号处理单元6-3中查表的方式，得到增量细分位置值，最终利用粗略绝对位置值，参考位置，增量细分位置值得到高精度的绝对位置值。
本发明实施方式与现有技术的不同点如下所述。
现有技术中，多码道绝对式光栅尺主要是应用了简单二进制码，或者格雷码，每一行编码代表一位，增加分辨率或者长度需要增加读数头的位数，还有一种方法就是三码道的编码技术，其中一条增量细分码道，一条参考码道，一条绝对码道，通过参考码道作为桥梁把增量细分读数和绝对读数结合形成绝对位置；然而本实施方式中同时应用了两种编码方式的特点，进一步增加了绝对码感光单元的大小，使用多条参考码道同时参与形成绝对读数，而利用绝对码道形成较高位的绝对读数。
综上所述，本发明不限于上述实施方式，如利用上述基本原理，参考码道可以进行进一步增加，比如增加到三条参考码道，这样就可以进一步增大绝对感光单元的大小，减小其绝对读数的位数；如该第一刻轨4-2和第二刻轨4-3上的每一不透光部分可窄于其透光部分，只须保持该第一刻轨4-2上的透光和不透光部分是不等宽的即可。另，在将光信号转化为电信号时，对高电平和低电平所代表的透光部分或不透光部分，可依据所需设定。

Claims (7)

1.绝对位移测量装置，该装置包括光源（1）、光学***（2）、标准光栅（3）、扫描掩膜（4）、光电探测器（5）和信号处理电路（6），所述标准光栅（3）包括绝对码道（3-1）、增量码道（3-2）和n条参考码道（3-3）；且绝对码道（3-1）、增量码道（3-2）和n条参考码道（3-3）相互平行排列，所述绝对码道（3-1）上包含绝对位置信息的图案，增量码道（3-2）包括按照第一增量周期沿测量方向排列的第一明暗条纹，每条参考码道（3-3）包括按照一种增量周期沿测量方向排列的明暗条纹，所述参考码道（3-3）的周期比增量码道（3-2）的周期长；n为正整数，且n大于等于2；其特征是，
所述光源（1）发出光线经光学***（2）转换为准直入射光线，所述准直入射光线通过标准光栅（3）反射或透射至扫描掩膜（4）后被光电探测器（5）接收，所述光电探测器（5）接收经标准光栅（3）上的绝对码道（3-1）、n条参考码道（3-3）和增量码道（3-2）后分别形成绝对位置信号、n条参考位置信号和细分信号并输出至信号处理电路（6）进行处理，所述信号处理电路（6）输出精确的绝对位置信号。
2.根据权利要求1所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述光源（1）发出的光线经光学***（2）转换为准直入射光线，所述准直入射光线经扫描掩膜（4）照射到标准光栅（3）上，经标准光栅（3）反射或透射后的光线被光电探测器（5）接收。
3.根据权利要求1所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述光源（1）发出的光线经光学***（2）转换为准直入射光线，所述准直入射光线通过标准光栅（3）反射或透射至扫描掩膜（4）后被光电探测器（5）接收。
4.根据权利要求1所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述信号处理电路（6）包括绝对位置信号处理单元（6-1）、参考位置信号处理单元（6-2）、细分位置信号处理单元（6-3）和高精度绝对位置合成单元（6-4）；所述参考位置信号处理单元（6-2）对光电探测器（5）输出的n路参考位置信号进行处理，得到筛选信号和初步细分信号，初步细分信号进入高精度绝对位置合成单元（6-4）；所述细分位置信号处理单元（6-3）对光电探测器（5）输出的细分位置信号进行处理，得到细分位置值至高精度绝对位置合成单元（6-4）；所述绝对位置信号处理单元（6-1）对光电探测器（5）输出的绝对位置信号和筛选信号进行处理，得到绝对位置的粗读信号至高精度绝对位置合成单元（6-4）；所述高精度绝对位置合成单元（6-4）对初步细分信号、细分位置值和绝对位置的粗读信号进行位移合成，得到高精度位置值。
5.根据权利要求1所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述多条参考码道（3-3）中至少两条码道包含的周期不相同，周期较小的参考码道（3-3）的周期小于绝对码道（3-1）的最小刻线宽度。
6.根据权利要求1所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述标准光栅（3）上的绝对码道（3-1）、多条参考码道（3-3）和增量码道（3-2）的刻划精度从低到高依次排列为，绝对码道（3-1）、周期较大的参考码道（3-3）、周期较小的参考码道（3-3）和增量码道（3-2）。
7.根据权利要求7所述的绝对位移测装置，其特征在于，所述较大周期的参考码道（3-3）的周期是较小周期的参考码道（3-3）的周期的整数倍。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120822