CN102944258A - 高精度编码器光电信号细分误差的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种测量超长导轨直线度的方法，涉及一种测量导轨尤其是超长导轨直线度的方法，解决现有测量方法测量精度低、误差大，并且存在数据处理和运算比较复杂的问题，本发明所述的方法通过激光跟踪仪测量、采集超长导轨上若干数据点，对这些数据点进行空间直线拟合，采用最小二乘拟合算法对采集的N个测试采样点的数据信息进行直线度计算，即可得到导轨的直线度；本发明所述的方法数据分析和实验操作简便、测试时间短、数据处理简单、测试成本低以及测试效率很高。

Description

高精度编码器光电信号细分误差的检测方法

技术领域

本发明涉及一种编码器光电信号检测技术，具体涉及一种高精度、高分辨率编码器光电信号的参数测量与细分误差检测的方法。

背景技术

纵观国内外的发展现状，光电轴角编码器向着高频响、高精度、小型化、智能化、高分辨率的方向发展。随着科技的进步以及航空航天技术的飞速发展，各个技术领域对光电编码器的精度要求越来越高，并且需要其能在复杂和恶劣的环境条件下，对角度进行实时精密测量。所以，怎样有效的对编码器进行准确、快速的精度检测，就成为日益突出的重要问题。

在高分辨率、高精度光电编码器中，细分误差是主要的误差分量，并且细分误差是影响光电编码器精度的最主要因素。光电编码器在运动状态下输出的实际信号与理想的正弦波或三角波存在着偏差，在此偏差信号的基础上进行电子学细分就会产生细分误差，而且细分误差最易受到环境因素影响而变化。现有的细分误差检测采用精密的小角度测量仪、光学多面体等仪器，要求在有阳光的实验室条件下进行，检测方法费时，费力，易引入检测误差。而且对码盘光栅节距较小、细分份数较高的高精度编码器的细分误差以及工作现场的动态细分误差的快速检测，还没有有效的检测方法。

发明内容

本发明为解决目前高精度编码器细分误差检测方法中操作过程的复杂性与不准确性，提出一种高精度编码器光电信号细分误差检测方法。

高精度编码器光电信号细分误差检测方法，该方法为：

步骤一、光电编码器精码信号经光电转换后输入至差分放大器，经差分放大后输出正弦波形信号和余弦波形信号；

步骤二、采用非均匀采样技术实现对正弦波形信号和余弦波形信号的实时采集；

步骤三、通过微处理器将步骤二实时采集的数据存储并进行离散傅里叶变换等算法处理，获得信号波形参数值；

步骤四、根据步骤三获得的信号波形参数值，计算出光电信号的细分误差。

本发明的有益效果：

一、本发明所述方法适用于对工作现场状态下的编码器进行精度检测与校准能提高编码器的应用范围，避免了繁琐的手工校准，减少了工作量，提高了编码器的工作可靠性与实时性；

二、本发明提出基于非均匀采样信号的离散傅里叶变换算法，推导出编码器光电信号波形参数的计算表达式，并对莫尔条纹动态信号分析研究，提出光电编码器细分误差的计算方法，替代了人工操作，方便快捷，准确度高；

三、本发明以ARM9为核心器件，设计了编码器光电信号采集、处理与显示系统，可实现对信号的非均匀采样和分析处理，计算出信号波形参数，能实时显示动态细分误差曲线，并且通过功能扩展可以研制成手持便携式的测试系统。

附图说明

图1为本发明所述的高精度编码器光电信号细分误差检测方法的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，高精度编码器光电信号细分误差的检测方法，编码器莫尔条纹信号经光电转换和差分放大输出两路正余弦信号；通过A/D的多路并行交替采样实现对两路精码信号的非均匀采样；将采集到的数据进行离散傅里叶等算法处理，得出信号频率、幅值、相位等参数值，并根据信号波形参数与细分误差的关系计算出编码器细分误差值。计算出编码器细分误差值。在操作界面上显示细分误差曲线，并与传统检测方法得到的细分误差曲线进行对比分析。

本实施方式所述的光电编码精码信号经过光电转换的同时通过可调电位器进行幅值的调整。所述的光电信号的采集、处理、分析与显示都是通过ARM9微处理器完成，并可以与计算机进行联合处理。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的高精度编码器光电信号细分误差的检测方法的实施例：

本实施方式主要针对光电编码器精码信号的细分误差检测，光电编码器四路精码信号0°、90°、180°、270°通过可调电位器完成光电转换和幅值调整，然后将0°与180°、90°与270°分成两组进行差分放大，输出Asinθ与Acosθ两路信号，再送入ARM中自带的A/D转换模块进行多路并行交替采样，实现非均匀采样。将采集到的数据进行数学分析及基于非均匀采样的离散傅里叶变换等算法处理，从而计算出编码器光电信号的波形参数，根据各项参数对细分误差的影响得到细分误差值，最后在PC机或LCD显示屏上显示需要的各类信息。

在ARM微处理器上，通过软件程序对精码的正余弦信号进行基于非均匀采样信号的离散傅里叶变换。根据傅里叶级数的定义，任何周期函数f(t)都可用三角函数的线性组合来表示。编码器输出的精码莫尔条纹信号也是周期信号，可以展开为式(1)三角函数的形式。

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\sin (n{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ψ}}_n)---\left(1\right)$

通过式(1)表明，编码器输出的莫尔条纹信号能够分解成直流分量及许多正弦、余弦分量和的形式。a₀表示直流分量，a_n为各次谐波成分的幅度值，ω₁为基频的角频率，ψ_n为各次谐波的相位值，n为正整数。

编码器莫尔条纹信号f(t)经非均匀采样时刻t_n采样后为f(t_n)，对所采集的信号根据式(2)进行离散傅里叶变换。

次谐波的系数为X_NU(k)，j为虚单位，N为x(t_n)的有限长度。

非均匀采样时刻t_n定义为：

t_n=nT+τ_n    n=0，1，…，N-1

式中T是均匀采样的时间间隔；τ_n是均值为0、服从同一概率分布的随机量。

根据X_NU(k)的值按照推导出的频率、幅值、相位计算公式，求得f(t)中各次谐波的参数值，与标准的细分信号进行比对，计算出编码器的细分误差，从而进行误差修正。

本实施方式所述的光电编码器选用航天相机调焦系统中高精度、高分辨率的21位绝对式光电轴角编码器；所述的差分放大过程选用的放大器为LM124；所述A/D功能为微处理器自带的8位、10通道的A/D模块，其最大转换速率为500KSPS；所述的微处理器为s3c2440型ARM9处理器，其内部指令集场地固定且高度正交化，可运行在400MHZ的内核频率。

本发明通过傅里叶变换分析莫尔条纹光电信号波形表达式，推导出信号频率、幅值、相位等参数的计算公式，根据采集的数据确定编码器原始位置波形参数。将得到的波形参数带入细分误差公式，即可求取细分误差。本发明所述的方法作为一种新的误差检测方法，适用于在工作现场编码器精度检测和校准。

Claims (2)

1.高精度编码器光电信号细分误差检测方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、光电编码器精码信号经光电转换后输入至差分放大器，经差分放大后输出正弦波形信号和余弦波形信号；

步骤二、采用非均匀采样技术实现对正弦波形信号和余弦波形信号的实时采集；

步骤三、通过微处理器将步骤二实时采集的数据存储并进行离散傅里叶变换处理，获得信号波形参数值；

步骤四、根据步骤三获得的信号波形参数值，计算出光电信号的细分误差。

2.根据权利要求1所述的高精度编码器光电信号细分误差检测方法，其特征在于，在步骤一中，光电编码精码信号经过光电转换的同时通过可调电位器进行幅值的调整。