CN107462168A - 一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***及方法，***包括平行光源、增量式玻璃光栅尺、光电传感器阵列、信号处理单元、位移显示单元以及高速电压比较器；其中，增量式玻璃光栅尺垂直平行光源的照射方向；光电传感器阵列放置于该增量式玻璃光栅尺光栅栅距内，并呈阶梯型均匀分布；高速电压比较器连接于光电传感器阵列和信号处理单元之间，对光电传感器阵列输出信号进行整形以及对整形得出的方波信号进行电平转换；所述信号处理单元与位移显示单元连接，将计算得到的位移值显示在位移显示单元上。本发明具有构成简单、检测成本低、测量精度高、检测速度快、实用性强等优点。

Description

一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***及方法

技术领域

本发明涉及精密测量的技术领域，尤其涉及到一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***及方法。

背景技术

在精密测量领域中，常采用光栅尺作为位移反馈装置，其利用光栅光学原理，进行精密位移或角度测量。

现有光栅尺主要有增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种。其中，增量式光栅尺依靠光源照射到玻璃或金属表面的均匀刻线，通过透射或反射后与指示光栅进行干涉，产生明暗相间的莫尔条纹，通过数条纹数量，对移动的距离进行计数。根据测量精度要求可以对莫尔条纹进行细分，由于是对模拟信号的数字细分，信号易受外部环境干扰而降低检测精度；而且，当分辨率高时，在高速运动情况下会产生“丢步”。绝对光栅尺是在主光栅尺上刻有一系列具有位置编码信息的刻线，可以直接获得绝对位置而避免“丢步”现象，但需要读取大量位置编码信息，处理速度较慢，并且，绝对式光栅尺的制造要求高，成本也高。

总之，上述不论采用何种方式，分辨率提高后，在同样速度下，反馈频率提高，因受采集卡最高截止频率限制，分辨率提高，测量速度必然要降低。

同时，为了提高测量精度，需要采用更密集的栅线，而更密集的栅线会导致单位位移数据采集量增大，出现“丢步”现象，降低数据的可信度，特别是在高速运动状态下，“丢步”现象更明显。另外，采用更高采集速度的设备，会使得成本大幅度增加。因此，高速度、高分辨率和高精度是光栅精密测量的固有矛盾。

上述问题的存在给电子制造装备高速高精度位移定位带来挑战，亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种构成简单、检测成本低、测量精度高、检测速度快、实用性强的新型阵列光电传感器光栅位移检测***。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***，其包括平行光源、增量式玻璃光栅尺、光电传感器阵列、信号处理单元、位移显示单元以及高速电压比较器；其中，增量式玻璃光栅尺垂直平行光源的照射方向；光电传感器阵列放置于该增量式玻璃光栅尺光栅栅距内，并呈阶梯型均匀分布；高速电压比较器连接于光电传感器阵列和信号处理单元之间，对光电传感器阵列输出信号进行整形以及对整形得出的方波信号进行电平转换；所述信号处理单元与位移显示单元连接，将计算得到的位移值显示在位移显示单元上。

进一步地，所述光电传感器阵列中光电传感器间的上下距离L＝(H-n*K)/(n-1),光电传感器间的错位距离D＝(W-M)/(n-1)；其中，H为光栅高度，n为光电传感器数量，K为光电传感器高度，W为栅距，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度。

为实现上述目的，本发明另外提供一种用于上述***的新型阵列光电传感器光栅位移检测方法：包括以下步骤：

S1、从平行光源发出的光照射到增量式玻璃光栅尺上；

S2、光电传感器阵列接收光照，根据被光栅栅线遮挡与否输出高电平信号和低电平信号；

S3、高速电压比较器对输出的电平信号进行整形以及电平转换；

S4、信号处理单元接收已整形以及电平转换的信号，对其进行信号边沿检测、判断光栅运动方向并计数，得出位移值；

S5、位移显示单元显示信号处理单元处理得出的位移值。

进一步地，步骤S4中运动方向利用组合逻辑根据相邻三个光电传感器分别输出的信号A、B、C的特点进行判断；正向运动的情况下，运动方向为反向运动的情况下，运动方向为

进一步地，信号处理单元利用边沿检测法进行脉冲边沿检测并计数，所需检测边沿为脉冲的上升边沿。

进一步地，光栅位移值计算过程如下：

光栅正向运动时，位移S计算公式为：S＝S'+N×M，其中，N为脉冲个数，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度，S'为前一次的位移值；光栅反向运动时，位移S计算公式为：S＝S'-N×M。

与现有技术相比，本方案原理如下：

平行光源照射到增量式玻璃光栅尺上，由于光电传感器对光照强度敏感度高，未被增量式玻璃光栅尺栅线遮挡的光电传感器接受全部光照，输出高电平信号，被遮挡的光电传感器接受部分光照或者不接受光照，光照强度低，输出低电平信号。由于光电传感器在检测光照强度变化时，输出的波形不是理想方波信号，需要对输出的信号进行整形。本方案采用高速电压比较器对光电传感器输出信号进行整形，输出方波信号，并将信号进行高低电平转换输出至信号处理单元，进行脉冲信号边沿检测和判断运动方向并计数，最后得到位移值。

与现有技术相比，具有以下优点：

1.检测速度快：位移检测方法信号由光电传感器直接输出，输出速度快，只需对整形后的脉冲边沿进行检测并计数即可得到位移值；相比现有的光栅尺测量***，位移测量速度与无需细分的增量光栅速度一致。

2.实用性强：对光电传感器要求低，传感器大小既可以大于也可小于光栅栅纹宽度。

3.检测成本低：不用对莫尔条纹进行计数，从而无需指示光栅，简化构成，节省成本。

4.测量精度高：测量误差与栅距成正比，与栅矩内均布的光电传感器数量成反比。

5.光电传感器阵列呈阶梯型均匀分布，光电传感器间的上下距离L＝(光栅高度H-光电传感器数量n*光电传感器高度K)/(光电传感器数量n-1),光电传感器间的错位距离D＝(栅距W-光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度M)/(光电传感器数量n-1)，避免光电传感器发生短路，使位移检测方法信号能由光电传感器直接输出。

附图说明

图1为本发明中一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***的结构示意图；

图2为图1中201部分的局部放大图；

图3为本发明实施例中光电传感器在光栅栅距内的分布图；

图4为本发明实施例中增量式玻璃光栅尺正向移动初始位置示意图；

图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12为本发明实施例中增量式玻璃光栅尺正向移动过程所经历的八个位置及其所对应的输出信号的示意图；

图13为本发明实施例中正向运动方向判断所依据的输出信号的特点的示意图；

图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21为本发明实施例中增量式玻璃光栅尺在正向运动过程中突然换向运动所经历的八个位置及其所对应的输出信号的示意图；

图22为本发明实施例中增量式玻璃光栅尺在正向运动过程中突然换向运动的方向判断所依据的输出信号的特点的示意图；

图23为本发明实施例中用于判断方向的组合逻辑电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1-3所示，本实施例所述的一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***，包括平行光源1、增量式玻璃光栅尺2、光电传感器阵列3、信号处理单元4、位移显示单元5以及高速电压比较器6；其中，增量式玻璃光栅尺2垂直平行光源1的照射方向；光电传感器阵列3放置于该增量式玻璃光栅尺2光栅栅距内，并呈阶梯型均匀分布，光电传感器间的上下距离L＝(光栅高度H-光电传感器数量n*光电传感器高度K)/(光电传感器数量n-1),光电传感器间的错位距离D＝(栅距W-光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度M)/(光电传感器数量n-1)；高速电压比较器6连接于光电传感器阵列3和信号处理单元4之间，对光电传感器阵列3输出信号进行整形以及对整形得出的方波信号进行电平转换；所述信号处理单元4与位移显示单元5连接。

***工作过程如下：

S1、从平行光源1发出的光照射到增量式玻璃光栅尺2上；

S2、光电传感器阵列3接收光照，根据被光栅栅线遮挡与否输出高电平信号和低电平信号；

S3、高速电压比较器6对输出的电平信号进行整形以及电平转换；

S4、信号处理单元4接收已整形以及电平转换的信号，对其进行信号边沿检测、判断光栅运动方向并计数，得出位移值；具体步骤为：

S41、假设增量式玻璃光栅尺相对于光电传感器正向运动(正向为向右)，初始时刻0，光电传感器在光栅栅距内的分布如图4所示；

S42、在运动的时刻1，光电传感器被光栅栅线遮挡，未被遮挡的光电传感器输出高电平，被遮挡的光电传感器输出低电平，本实施例为了检测方便，将信号进行反转，即被遮挡的传感器输出高电平，反之则输出低电平(以下各描述以此为准)，如图5所示；

S43、继续正向运动至时刻2、3、4、5、6、7、8，所对应的信号分别如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12所示；

S44、根据相邻三个光电传感器输出信号的特点利用组合逻辑进行方向判断，组合逻辑电路如图23所示；假设光电传感器1、2、3的输出信号分别对应A、B、C；在正向运动的情况下，运动方向为如图13所示；反之，若增量式玻璃光栅尺相对于传感器向左运动，则信号输出是从光电传感器编号n开始输出，运动方向为

S45、假设运动过程中突然变向，同样利用组合逻辑进行方向判断，反向运动至时刻9、10、11、12、13、14、15、16，所对应的信号分别如图14、15、16、17、18、19、20、21所示；

增量式玻璃光栅尺在正向运动过程中突然换向运动，方向判断依据输出信号的特点，如图22所示；

S46、信号处理单元4利用边沿检测法进行脉冲边沿检测并计数，所需检测边沿为脉冲的上升边沿；光栅位移值计算过程如下：

光栅正向运动时，位移S计算公式为：S＝S'+N×M，其中，N为脉冲个数，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度，S'为前一次的位移值；光栅反向运动时，位移S计算公式为：S＝S'-N×M；

S5、位移显示单元5显示信号处理单元4处理得出的位移值。

本实施例具有构成简单、检测成本低、测量精度高、检测速度快、实用性强等优点。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***，其特征在于：包括平行光源(1)、增量式玻璃光栅尺(2)、光电传感器阵列(3)、信号处理单元(4)、位移显示单元(5)以及高速电压比较器(6)；其中，增量式玻璃光栅尺(2)垂直平行光源(1)的照射方向；光电传感器阵列(3)放置于该增量式玻璃光栅尺(2)光栅栅距内，并呈阶梯型均匀分布；高速电压比较器(6)连接于光电传感器阵列(3)和信号处理单元(4)之间，对光电传感器阵列(3)输出信号进行整形以及对整形得出的方波信号进行电平转换；所述信号处理单元(4)与位移显示单元(5)连接，将计算得到的位移值显示在位移显示单元(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种新型阵列光电传感器光栅位移检测***，其特征在于：所述光电传感器阵列(3)中光电传感器间的上下距离L＝(H-n*K)/(n-1),光电传感器间的错位距离D＝(W-M)/(n-1)；其中，H为光栅高度，n为光电传感器数量，K为光电传感器高度，W为栅距，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺(2)移动方向上的宽度。

3.一种用于权利要求1所述***的新型阵列光电传感器光栅位移检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、从平行光源发出的光照射到增量式玻璃光栅尺上；

S2、光电传感器阵列接收光照，根据被光栅栅线遮挡与否输出高电平信号和低电平信号；

S3、高速电压比较器对输出的电平信号进行整形以及电平转换；

S4、信号处理单元接收已整形以及电平转换的信号，对其进行信号边沿检测、判断光栅运动方向并计数，得出位移值；

S5、位移显示单元显示信号处理单元处理得出的位移值。

4.根据权利要求3所述的一种新型阵列光电传感器光栅位移检测方法，其特征在于：所述信号处理单元利用边沿检测法进行脉冲边沿检测并计数，所需检测边沿为脉冲的上升边沿。

5.根据权利要求3所述的一种新型阵列光电传感器光栅位移检测方法，其特征在于：所述步骤S4中运动方向利用组合逻辑根据相邻三个光电传感器分别输出的信号A、B、C的特点进行判断；正向运动的情况下，运动方向为反向运动的情况下，运动方向为

6.根据权利要求3所述的一种新型阵列光电传感器光栅位移检测方法，其特征在于：所述光栅位移值计算过程如下：

光栅正向运动时，位移S计算公式为：S＝S'+N×M，其中，N为脉冲个数，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度，S'为前一次的位移值；光栅反向运动时，位移S计算公式为：S＝S'-N×M。