CN102636127A - 轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置及方法。该装置包括光电信号接收与转换电路、信号调理电路、至少两个模拟数字转换器、位置跟踪脉冲发生电路、细分电路模块、大小数结合及位移解算电路等。其中，通过对双路干涉信号分析处理产生大数、对单路信号细分产生小数，使得干涉信号的相位非正交误差不会影响细分精度；采用基于特征位置的轨迹跟踪方法实现干涉条纹计数，解决在在有振动等干扰情况下的正确计数问题；采用硬件电路实现轨迹跟踪细分计数，计数速度只受硬件电路的频响限制，因而可以用于高速位移测量。

Description

轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置及方法

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置及其方法，尤其是涉及一种几何量精密计量中的激光干涉、光栅等条纹信号的计数细分装置及采用该装置进行轨迹跟踪式干涉信号计数细分的方法 

背景技术

采用激光干涉、光栅、容栅、磁栅原理制成的位移测量装置在科研及工业生产中广泛应用。在测量过程中，基于上述原理制成的传感器在理想情况下输出两路相位差为90°、幅度相同、直流偏置为零的理想信号。但实际上由于设计安装等误差因素的存在，从传感器不易直接获得两路理想信号。然而一般号信号处理方法往往需要传感器输出为理想信号，否则很难达到较高的细分精度。例如《自动化仪表》第31卷第5期“CORDIC算法在光栅莫尔条纹细分中的应用”中指出，细分计算需要两路信号，需要在理想信号的情况下才能获得较好的细分精度。中国发明专利(CN200310110671.5)“相位误差不敏感的交点跟踪式莫尔干涉条纹信号计数细分方法及装置”提出了一种能够满足于非理想信号的信号处理方法及装置，将传感器直接输出的非理想信号通过软件的计算处理进行标定后获得误差参数，最终从非理想信号中分离出理想信号再进行双路计算细分的系统。与采用传统的计算机细分方法类似，其基本过程是将两路信号组成分成8个区间，由8个区间的逻辑组合判断及计算等流程来实现细分和计数，这种方法虽然可以避免振动和信号电子噪声等导致的误计数，但是其处理过程是以软件的程序计算为主的方法，测前需要归一化等一系列复杂过 程，其计数细分速度依赖于程序计算处理的速度，因而细分及计数的速度受限。 

发明内容

本发明的目的是提供一种不依赖于软件程序，通过硬件结构解决干涉信号的高精度细分及计数速度受限的问题。 

本发明提供一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其对两路干涉条纹信号进行处理，该装置包括：位置跟踪脉冲产生电路，其采用跟踪脉冲对两路干涉条纹信号的特征位置进行位置跟踪；位置跟踪编码及辩向计数电路，其对特征位置的跟踪脉冲进行编码判断并产生计数脉冲和位移方向信号；细分电路模块，其对两路干涉条纹信号中的任意一路产生细分小数信号和细分脉冲信号；大小数结合及位移解算电路，其将计数脉冲、位移方向信号、细分小数信号以及细分脉冲信号结合处理获得位移值。 

其中，进一步包括信号调理电路和至少两个模拟数字转换器。 

其中，该信号调理电路对两路干涉条纹信号进行放大及调偏置；经该信号调理电路处理后的两路干涉条纹信号输入到所述至少两个模拟数字转换器和所述位置跟踪脉冲产生电路。 

其中，所述至少两个模拟数字转换器将干涉条纹信号数字化，将数字化后的信号输入到所述细分模块。 

其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路、所述细分电路模块以及所述小数结合及位移解算电路位于同一FPGA芯片上。 

本发明提供一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其包括：利用位置跟踪脉冲产生电路和位置跟踪编码及辩向计数电路获得两路干涉条纹信号大数特征；采用细分电路模块对两路干涉条纹信号中的任意一路获得干涉条纹小数 特征；利用大小数结合及位移解算电路，其将大数和小数结合处理，输出位移值。 

其中，采用位置跟踪脉冲产生电路对两路干涉信号的特征位置进行位置跟踪，通过4路位置跟踪脉冲分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲输入到位置跟踪编码及辨向计数电路。 

其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置处，位置脉冲通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。 

其中，所述细分电路模块同时产生16位细分小数信号和细分脉冲信号输出，细分小数信号利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号由CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。 

其中，两路路干涉条纹信号在进入位置跟踪脉冲产生电路和细分电路模块之前，信号调理电路对所述两路干涉条纹信号进行放大及调偏置。 

为实现采用硬件电路对干涉信号的抗振动等干扰的正确可逆计数，以及解决在非理想信号情况下实现高精度细分。本发明为基于激光干涉、光栅等测量原理的位移传感器提供了一种采用硬件电路实现的在非理想信号情况下进行高速高精度细分计数方法及装置。 

附图说明

图1本发明的计数细分装置的电路框图结构示意图； 

图2两路非正交干涉信号示意图； 

图3干涉条纹单路细分示意图； 

图4大小数结合示意图； 

图5信号调理电路示意图； 

图6位置跟踪脉冲产生电路示意图； 

图7位置跟踪编码及辩向计数电路示意图； 

图8细分电路模块示意图； 

图9大小数结合及位移解算电路示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合实际实施例，对本发明进一步详细说明，下述的实施方式只是为了便于理解本发明，而不应当理解为对发明内容的具体限定。 

图1为计数细分装置的电路框图结构。如图1所示，第一光电信号接收与转换电路1和第二光电信号接收与转换电路2分别接收激光干涉条纹信号，优选该光电信号接收电路为光电探测器、光电二极管或光电接收器等光电转换部件；两路干涉条纹信号不需要正交等幅度，信号调理电路3将两路所述条纹信号进行放大和偏置以适应高速模拟数字转换器4、5的模拟输入范围和位置跟踪脉冲产生电路16的位置跟踪过零触发要求。对于信号调理电路3来说，其作用是将光电信号接收与转换电路得到的干涉信号进行放大及调偏置，以使得其在高速模拟数字转换器AD的输入范围内。其具体电路结构如图5所示。采用位置跟踪脉冲产生电路16实现4路位置跟踪脉冲15，4路位置跟踪脉冲15输入到位置跟踪编码及辨向计数电路13，该位置跟踪编码及辩向计数电路13通过对四路脉冲信号的处理，实现对位置脉冲的编码判断并产生计数脉冲11和位移方向信号12。双路高速模拟数字转换器AD 4、5将信号调理电路3输出的信号数字化，选择两路干涉条纹信号中的任意一路，基于现场可编程门阵列 (FPGA)技术实现的细分电路模块6同时产生两细分信号输出，16位细分小数信号8和细分脉冲信号7。细分小数信号8利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号7则是CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。用上面的两种细分方法配合产生细分小数信号和细分脉冲信号，两种细分信号的产生全部依靠硬件电路实现。 

如图1所示，对一路干涉信号进行处理后获得的细分脉冲信号7、细分小数信号8和对两路干涉信号进行分析处理后获得的计数脉冲11和位移方向信号12均输入到大小数结合及位移解算电路10，该大小数结合及位移解算电路10将前面信号处理电路输出的大小数信号做进一步处理，并将处理结果输出到位移显示测量模块中。 

对于两路干涉条纹信号来说，如果分别用矢量 

表示，则干涉条纹信号可以用它们的合成矢量 

来表示，如图2，矢量 

逆时针旋转对应干涉正向移动、顺时针旋转对应干涉负向移动，在 

运动的轨迹21上的提取个4特征位置A、B、C、D。根据4个特征位置A、B、C、D形成的位置码表采用硬件电路进行逻辑判断，从而进行辩向与计数。如图1中所示，采用位置跟踪脉冲产生电路16对4个特征位置A、B、C、D进行位置跟踪，其中，通过4路位置跟踪脉冲15分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲15输入到位置跟踪编码及辨向计数电路13，该位置跟踪编码及辩向计数电路13通过对四路脉冲信号的处理，实现对位置脉冲的编码判断并产生计数脉冲11和位移方向信号12。对于位置跟踪脉冲产生电路16，其在两路干涉信号的特征位置A、B、C、D处产生位置脉冲，其如图6所给出一路干涉信号产生位置脉冲A、C的电路结构，另一路电路相同。电路的基本工作原理为首先将一路信 号反相得到两路相位相反的信号，然后用高速运算放大器组成过零滞回比较将干涉信号变为方波信号，方波信号再经过单稳态电路分别形成过零触发脉冲信号A、C。 

对于位置跟踪编码及辩向计数脉冲发生电路13，其具体的电路结构如图7所示，位置跟踪编码及辩向计数电路首先将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置A处，位置脉冲A通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值，根据表2的逻辑进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。 

通过两路具有相位差的干涉信号的处理产生干涉大数。方法为轨迹跟踪方法，具体是在干涉信号轨迹上的四个特征位置A、B、C、D分别形成轨迹跟踪编码，将每个位置产生的轨迹跟踪位置编码按时间顺序锁存至寄存器，每当轨迹运动到位置A处进即行逻辑判断而可逆计数。在4个特征位置A、B、C、D，位置跟踪脉冲产生电路16会产生4路位置跟踪脉冲15，这些脉冲形成4位二进制编码(ABCD格式按D3D2D1D0)，具体编码格式及逻辑分析分别见表1、表2，无论锁存的个数，只在位置处A对最后锁存的4个编码进行判断，如符合表2计数状态，则相应计数，如不符合计数状态，则说明在A位置处或附近晃动或还没有走完一个完整的轨迹，则计数状态保持，其过程依靠硬件电路实现。 

表1 

表2 

位置跟踪变化	码值跟踪变化	计数状态
			A-＞B-＞C-＞D-＞A	8-＞4-＞2-＞1-＞8	+1
A-＞D-＞C-＞B-＞A	8-＞1-＞2-＞4-＞8	-1
			A-＞…-＞B-＞C-＞D-＞A	8-＞…-＞4-＞2-＞1-＞8	+1
A-＞…-＞D-＞C-＞B-＞A	8-＞…-＞1-＞2-＞4-＞8	-1
			A-＞…-＞其它-＞A	8-＞…-＞其它-＞8	保持

两路干涉条纹信号中的一路信号进行细分产生小数，避免了两路细分由于信号间的相位误差而对位移细分精度的影响。如图3所示，竖轴20是大数计数位置，对应轨迹跟踪位置的A点，在竖轴20位置建立直角坐标系x、y，则干涉条纹信号可用y＝cos(x)，如果将一个条纹周期的信号按照位置19分为两部分，则可以将干涉条纹一个完整周期的小数17(相位角)表示为x_1i＝cos^-1(y_i)和x_2i＝π+cos^-1(y_i)。 

如图3，干涉条纹信号18经过极大值电路得到波峰s、e及波谷o位置，通过信号波峰及波谷，可以确定信号中值即信号偏置位置B、D。通过波峰波谷将一个周期信号划分为2段。若信号so段以B为原点，其对应位移值可以用反正弦函数x_iB＝arcsin(y_i)表示，换算成以A为原点的值 

同样，信号oe段以D为原点，则x_iD＝arcsin(y_i)，换算成以A点为原点的值  $x_{\mathrm{iA}2}=\arcsin \left(y_i\right)+\frac{3\mathrm{\π}}{2}.$

CORDIC方法将一个向量通过一步一步的旋转逼近方法达到坐标变换的目的，下式(1)表示坐标的旋转算式，当步进旋转角度较小时，式(1)可以用简单的加减和移位操作实现，则可以采用FPGA电路模块实现(1)式。则反正弦函数可以通过旋转X正半轴的单位向量来获得，旋转该单位向量直到其y分量与输入参数相等，此时角度累加器中的值即为所求的反正弦函数值，下式(2) 为通过n部的旋转获得所需位置的反正弦角度的算式。 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i-y_i\·d_i\·z^{-i}\\ y_{i+1}=y_i+x_i\·d_i\·z^{-i}\\ z_{i+1}=z_i-d_i\·\mathrm{arctgn}\left(2^{-i}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：x_i，y_i旋转前坐标；x_i+1，y_i+1旋转后坐标；z_i，z_i+1旋转前后角度； 

C＝输入参数 

$\left\{\begin{array}{c}{y}_n=c\\ x_n=\sqrt{{(A_n\·x_0)}^2-c^2}\\ z_n=z_0+\arcsin \left(\frac{c}{A_n\·x_0}\right)\\ A_n=\underset{n}{\mathrm{\Π}}\sqrt{1+2^{-2i}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在一个干涉条纹周期内均匀内插脉冲进行细分。区别于传统方法，采用实时地调整内插细分常数，以保证在不同速度下干涉位移细分步距恒定，从而消除速度不均匀性对细分的影响。具体方法是用CORDIC细分方法的到小数信号划分出粗的内插区间，在每个粗的内插区间都实时调整内插细分常数，然后内插与速度成正比的细分脉冲。上述两种细分方法特征在于都采用单路信号，两种方法配合实现基于FPGA的细分电路模块6的硬件细分方法，因而可以满足高速和高精度的细分需求。对于细分电路模块6来说，其具体电路结构如图8所示。该细分电路模块6产生位数为16位的小数和细分脉冲信号。具体如图8，小数利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号a则是CORDIC算法细分的小数与内插时钟通过细分脉冲发生电路产生。 

采用简单方法处理位移计算中的大小数结合问题。专利CN200310110671.5中 通过位置逻辑的64种情况进行分析计算后处理大小数结合的问题，本发明则采用简单的处理方法。如图4所示，在干涉条纹单向移动时，大小数波形结合的位移波形是平直的，如图4中直线23，但当位移在大小数结合位置(即小数零位)附近来回振动时，大小数直接结合会出现±1个大数误差的情况，图4中给出会产生少一个大数的位移直线向下发生突变的情况22。因为±1个大数结合误差只会在一个条纹周期内出现，因采用位置跟踪方法计大数不会累计，则判断后对大数加1或减1来处理大小数结合问题。具体实现为在A处(小数零位)计数瞬间将大数值存储至寄存器，然后实时比较当前位移值与A处存储值的差值，如果在下一个计数到来瞬间之前大小数结合值与上一次的大数值的绝对值相差1，则根据符号对当前结合值加1或减1处理即可避免大小数结合会出现突变的情况。大小数的结合通过大小数结合及位移解算电路10实现。该大小数结合及位移解算电路10将前面信号处理电路输出的大小数信号做进一步处理，以消除大小数结合过程中可能出现的位移值突变问题。如图9，大数计数脉冲将大小数结合值锁存，大数加减1处理电路实时比较当前结合值与锁存值而做加1或减1处理，保证最终输出没有突变。经该大小数结合及位移解算电路10处理的大、小数结合得到的位置数据输出到测量模块中，优选该位移显示测量模块与计算机相配合工作。 

本发明基于4个特征位置的轨迹跟踪方法实现干涉条纹计数，解决在非正交理想信号下的正确计数问题。采用硬件电路实现轨迹跟踪辩向计数，计数速度只受硬件电路的频响限制，因而可用于高速位移测量。解决一般方法中需要程序计算判断因而速度受限问题。双路干涉信号产生大数，其中一路细分产生小数的方法确保了在非理想信号情况下较高的细分精度，降低了光机系统要 求。计数及细分全部采用硬件电路实现。保证了在高速位移测量情况下干涉信号仍然具有较高的细分率。电路主体结构以FPGA芯片为主，FPGA芯片的大容量可编程特性使得整个电路主体结构9可以在一片FPGA芯片内部实现，因而电路集成度高。 

本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，本领域技术人员能够根据具体的设计要求，对上述实施例中的各部件进行合理的选择和组合，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明所要求保护和公开的范围之内。 

Claims (10)

1.一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其对两路干涉条纹信号进行处理，该装置包括：位置跟踪脉冲产生电路，其采用跟踪脉冲对两路干涉条纹信号的特征位置进行位置跟踪；位置跟踪编码及辩向计数电路，其对特征位置的跟踪脉冲进行编码判断并产生计数脉冲和位移方向信号；细分电路模块，其对两路干涉条纹信号中的任意一路产生细分小数信号和细分脉冲信号；大小数结合及位移解算电路，其将计数脉冲、位移方向信号、细分小数信号以及细分脉冲信号结合处理获得位移值。

2.如权利要求1所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，进一步包括信号调理电路和至少两个模拟数字转换器。

3.如权利要求2所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，该信号调理电路对两路干涉条纹信号进行放大及调偏置；经该信号调理电路处理后的两路干涉条纹信号输入到所述至少两个模拟数字转换器和所述位置跟踪脉冲产生电路。

4.如权利要求1所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，所述至少两个模拟数字转换器将干涉条纹信号数字化，将数字化后的信号输入到所述细分模块。

5.如权利要求1所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路、所述细分电路模块以及所述小数结合及位移解算电路位于同一FPGA芯片上。

6.一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其包括：利用位置跟踪脉冲产生电路和位置跟踪编码及辩向计数电路获得两路干涉条纹信号大数特征；采用细分电路模块对两路干涉条纹信号中的任意一路获得干涉条纹小数特征；利用大小数结合及位移解算电路，其将大数和小数结合处理，输出位移值。

7.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，采用位置跟踪脉冲产生电路对两路干涉信号的特征位置进行位置跟踪，通过4路位置跟踪脉冲分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲输入到位置跟踪编码及辨向计数电路。

8.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置处，位置脉冲通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。

9.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，所述细分电路模块同时产生16位细分小数信号和细分脉冲信号输出，细分小数信号利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号由CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。

10.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，两路路干涉条纹信号在进入位置跟踪脉冲产生电路和细分电路模块之前，信号调理电路对所述两路干涉条纹信号进行放大及调偏置。

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