CN103512500A - 一种高速绝对光栅尺的图像采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高速绝对光栅尺的图像采集电路。光栅尺条上刻有粗码道和高精度绝对码道，光栅尺条上还装设有读取图像的光电转换器及两个LED光源，其中在光电转换器上开有若干个读取数据窗口、图像采集电路包括有电路切换器、第一A\D转换器、第二A\D转换器、相位检测器、第一位置检测器、计数器、第二位置检测器、速度检测器、纠正处理器、相位纠正处理器、绝对位置检测器、速度判别器、编码解码器、储存器，本发明通过光电转换器输出的相位来细分相邻绝对编码刻线间距来提高光栅尺测量精度，实现读数头对低精度的增量码道与高精度的绝对码道宏微复合读数，在低精度测量阶段可以实现高速的测量速度，快接近端点时切换进行低速的高精度测量。

Description

一种高速绝对光栅尺的图像采集电路

技术领域

本发明是一种高速绝对光栅尺的图像采集电路，属于高速绝对光栅尺的图像采集电路的创新技术。 

背景技术  

 1874年，瑞利（L . Rayleigh)第一次将莫尔条纹用于计量，从此有了莫尔计量学。1953年，英国Ferranti公司发明了倍数可逆计数系统，使得在与计量光栅相对应的电子学系统方面去得了突破性的进展。其公司的爱丁堡实验室设计制造了第一个利用莫尔条纹系统测量位移的样机。20世纪60年代，英国的NPL先后研发出了圆光栅与长光栅的照相分划机装置，攻破了光栅母版的制造难题。吉德（GuilD）、伯奇（Buech J.M）就莫尔条纹一系列理论进行了研究。与此同时，英国的Bussl A和Mullraith A.H等人发展了莫尔条纹的电子高倍频技术。

   随着电子技术和激光技术的快速发展，光栅莫尔条纹技术在各个领域中被应用，比如计量测试行业、航空航天，工业机床及国防事业等。但在国内光栅测量方面的研究起步比较晚，与国际先进水平有一定差距。目前，安装于中高档数控机床全闭环用的绝对式光栅尺全部依赖进口，这已经成为制约我国高档数控机床发展的技术瓶颈，现在我国增量式玻璃光栅尺的测量长度达到3m、钢带尺30m，准确度等级能达到±3um、±um、±lOum，分辨力能达到0.1um，测量速度达到60m／min和120m／min。但技术的发展和实际应用要求的提高，对光栅测量设备的精度要求也越来越高。为此一方面可以选择更高精度的光栅尺，但这要求提高光栅刻线密度，工艺难度存在瓶颈，实现起来成本昂贵，而且栅距越小，在使用的时候对光学系统，机械结构要求严格，降低了对使用环境的适用性。

而且增量光栅尺的标尺光栅和指示光栅之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距的计数脉冲信号，脉冲信号一般是是两路正交的信号，这两路信号接入后续的计数电路，计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。这种测量方法简单易行，但是在数控机床使用中，要每次回到绝对零点附近重新定位，所以机床的工作效率难以大幅提高。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种提高光栅尺的测量精度的高速绝对光栅尺的图像采集电路。本发明通过光电转换器输出的相位来细分相邻绝对编码刻线间距来提高光栅尺测量精度，可以实现光栅尺传感器通过增量码确定粗略位置、绝对码确定绝对位置、相位来确定最后精确位置，同时降低每帧图像采集时间而实现超高帧频图像采集，本发明设计巧妙实用。

本发明的技术方案是：本发明的高速绝对光栅尺的图像采集电路，所述光栅尺条上刻有粗码道和高精度绝对码道，光栅尺条上还装设有读取图像的光电转换器及两个LED光源，其中在光电转换器上开有若干个读取数据窗口、图像采集电路包括有电路切换器、第一A\D转换器、第二A\D转换器、相位检测器、第一位置检测器、计数器、第二位置检测器、速度检测器、纠正处理器、相位纠正处理器、绝对位置检测器、速度判别器、编码解码器、储存器，电路切换器分别与第一A\D转换器、第二A\D转换器及速度判别器连接，第二A\D转换器与相位检测器连接，相位检测器与第一位置检测器连接，第一A\D转换器与计数器连接，计数器与第二位置检测器连接，第二位置检测器与速度判别器连接，第一位置检测器与速度检测器连接，速度检测器与纠正处理器连接及与储存器连接，纠正处理器与相位纠正处理器连接，相位纠正处理器与绝对位置检测器连接，绝对位置检测器与编码解码器连接，编码解码器与电路切换器连接，速度判别器、电路切换器通过控制由数据读取窗口发生的经光电转换得到4个超前或滞后90⁰相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信号与编码刻线图像信号C的通过或阻止来实现光栅尺粗测与精测得切换，第一A\D转换器、第二A\D转换器、第一位置检测器、计数器、第二位置检测器、速度判别器、相位检测器检测绝对编码间的相位来对相邻编码的间距进行细分，编码解码器解码得出编码的位置。

上述光电转换器上开有8个读取数据窗口。

上述绝对位置检测器还连接有数显表。

上述当光电转换器与光栅尺条相对运动的速度小于速度判别器内设定速度时，电路切换器通过阻止增量码信号通过，允许绝对码信号通过来控制低精度测量与高精度测量的切换。

上述绝对码通过编码解码器解码得出运动的光电转换器当前绝对位置L= M x P，绝对编码刻线后的精度通过相位检测器与相位纠正处理器检测对应相邻编码刻线的正弦和余弦波形相位来细分两相邻编码刻线间距，最后两个位置数值相加得出精确位置S。

                                                                       

其中为对应相邻两编码刻线之间纠正后的相位，

，p表示绝对码刻线间距，该间距不变，M表示编码刻线依次编码的排列号码，当编码解码器接收到第

条编码刻线的信息在编码解码器内进行解码后，得到编码刻线排列号为

，然后做一个乘法运算：

。

上述栅尺条上低精度码道与高精度码道的刻线都是等距为M、P的周期性排列的，并且通过LED光源照射周期性刻线，然后光反射到光电转换器上的数据窗口上产生对应的周期性正弦波。。

本发明通过光电转换器输出的相位来细分相邻绝对编码刻线间距来提高光栅尺测量精度。本发明可以实现光栅尺传感器通过增量码确定粗略位置、绝对码确定绝对位置、相位来确定最后精确位置，同时降低每帧图像采集时间而实现超高帧频图像采集，本发明的光电转换器图像采集方法实现读数头对低精度的增量码道与高精度的绝对码道宏微复合读数，在低精度测量阶段可以实现高速的测量速度，快接近端点时切换进行低速的高精度测量。本发明还为了提高光栅尺的平均测量速度，并且通过读数头粗读与精读提高绝对光栅尺的测量分辨率。

   本发明设计与其他技术相比，具有以下优点：

1）本发明设计利用在粗测阶段使用增量码测量，精测阶段使用利用绝对码与绝对码刻线间的相位检测测量实现了宏微复合，大大提高了光栅尺的测量速度，从而提高了工业的生产效率；

1）本发明设计利用相位来细分相邻绝对编码刻线间距来提高光栅尺测量精度避免提高光栅尺测量精度，就要提高光栅刻线密度的工艺难度瓶颈；

2）本发明设计利用相位来细分编码间的间距，不需要用利用光电转换装置工艺精度来细分编码间的间距，从而避免了光栅尺测量精度对光电转换装置工艺精度的依赖。同时通过相位无限细分可是实现光栅尺更高精度的测量；

3）本发明利用一个光电转换装置通过上下开窗对一个尺条上的增量码与绝对码进行数据采集，避免了双光栅尺的数据采集，同时又避免了双光栅尺在粗测与精测切换时带来硬件延时的误差，从而提高了光栅尺的测量精度；

4）本发明利用一个光电转换装置通过上下开窗可以对双码道的光栅尺条进行读数，避免了双光电转换装置对双编码码道读数，节约了生产成本。同时通过多局部开窗提高对图像的采集速度。

本发明设计巧妙、性能优良、实用性强、非常适合于绝对光栅尺编码图像的高帧频采集，高速的数据处理，从而实现高速光栅尺的高速测量。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的A1、B1信号波形图。

具体实施方式

本发明的高速绝对光栅尺的图像采集电路，如图1所示，本发明光栅尺条1上刻有等距的增量码道6和等距的绝对码道，增量码道是粗测码道，绝对编码码道7刻线是很密集的精测码道。光栅尺条1上还装设有读取图像的光电转换5及两个LED光源4，其中在光电转换器5上开有若干个读取数据窗口2、3、图像采集电路包括有电路切换器8、第一A\D转换器9、第二A\D转换器10、相位检测器11、第一位置检测器12、计数器13、第二位置检测器14、速度检测器15、纠正处理器16、相位纠正处理器17、绝对位置检测器18、速度判别器20、编码解码器21、储存器22，电路切换器8分别与第一A\D转换器9、第二A\D转换器10及速度判别器20连接，第二A\D转换器10与相位检测器11连接，相位检测器11与第一位置检测器12连接，第一A\D转换器9与计数器13连接，计数器13与第二位置检测器14连接，第二位置检测器14与速度判别器20连接，第一位置检测器12与速度检测器15连接，速度检测器15与纠正处理器16连接及与储存器22连接，纠正处理器16与相位纠正处理器17 连接，相位纠正处理器17与绝对位置检测器18连接，绝对位置检测器18与编码解码器21连接，编码解码器21 与电路切换器8连接，电路切换器8，速度判别器20、电路切换器8通过控制由数据读取窗口2、3发生的经光电转换得到4个超前或滞后90⁰相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信号与编码刻线图像信号C的通过或阻止来实现光栅尺粗测与精测得切换，第一A\D转换器9、第二A\D转换器10、第一位置检测器12、计数器13、第二位置检测器14、速度判别器20、相位检测器11检测绝对编码间的相位来对相邻编码的间距进行细分，编码解码器21解码得出编码的位置。本实施例中，上述光电转换器5上开有8个读取数据窗口2、3。上述绝对位置检测器18还连接有数显表19。

光电转换窗口2、3产生的相位差90⁰的A、B、A1、B1四个正弦或余弦信号与光电转换器5输出的编码刻线信号C经过电路切换器8时，A1、B1、C信号被阻止，A、B信号通过电路切换器8输入到模数转换器转9换成数字信号。得到的数字信号立即输入到计数器13计算莫尔条纹周期个数N。计数结果N然后传输到第二位置检测器14计算位移距离S，得到的位移值S输入速度判别器20，通过速度判别器的运算，得到光电转换器与光栅尺条的相对运动速度。光电转换器5与光栅尺条的相对运动是一个先加速再匀速最后减速的过程，当接近目标位置时立即减速运动。在减速阶段当速度减小到小于速度判别器20设定的速度阀值后，速度判别器20将发送信号到电路切换器8使A、B信号被阻止，A1、B1、C信号通过，进行高精度测量阶段。

在高精度测量阶段：A1、B1、C信号分两路出发，一路信号C输入编码解码器21，在解码器21内对输入的编码信息进行解码得出解码值M。一路信号A1、B1依次输入到第二A\D转换器10进行模数转换,转换了的数字信号在相位检测器11内进行相位计算得出对应的相位

。得到的相位

信号分三路进入下一电路器件，一路相位信号进入第一位置检测器12进行计算并得出在任意周期内光电转换器5与尺条上编码刻线的相对位置

₀，同时，储存器22储存此周期内t₀时刻光电转换器5与光栅尺条1的相对位置 ₀并被速度检测器15提取进行计算得出每个周期内光电转换器5与光栅尺条1的相对运动速度。一路相位信号与速度检测器15计算的相对运动速度信息进入纠正处理器16进行计算处理得出相位误差值

。最后一路相位

信号与纠正处理器16计算的相位误差值

信息进入相位纠正处理器17进行相位误差补偿运算得出相位纠正值。然后，编码解码器21解码得出解码值M与相位纠正值

在绝对位置检测器（18)内进行运算得出光电转换器的位移的绝对位置值。最后，绝对位移值输入到数显表进行数字显示。

如图1所示，沿着莫尔条纹,绝对编码刻线与光电转换装置相对运动的方向在光电转换器5上分别开4个光电转换窗口2和4个光电转换窗口3。且分别使这4个光电转换窗口2相聚1/4刻线间距D/4，4个光电转换窗口3之间相距1/4个绝对编码间距p/4。则通过四个窗口的光电转换得到4个超前或滞后的相位，即相位差为90⁰的正弦函数的变化过程。

上述光电转换窗口产生的相位差90⁰的A、B、A1、B2四个信号经过电路切换器8时，A1、B2被阻止，A、B信号通过电路切换器8输入到模数转换器转9换成数字信号。

计数器13计算莫尔条纹周期个数N，第二位置检测器14计算位移距离S，计算公式为：

       (1)

其中D为光栅尺条6上增量刻线间距。

在减速阶段当速度减小到小于速度判别器20设定的速度阀值后，速度判别器20将发送信号到电路切换器使A、B信号被阻止，A1、B2、C信号通过，进行高精度测量阶段， LED灯4照射光通过绝对编码刻线反射到4个窗口的光电转换窗口2产生相位相差90⁰的A₁、B₁两个模拟信号，A₁为正弦模拟信号，B₁为余弦模拟信号，两个模拟信号依次输入到模数转换器10，编码刻线图像信息C输入编码解码器21。在解码器21内对输入的编码信息进行解码得出解码值M，通过解码值能够知道编码器的绝对位置，编码器的绝对位置为：

           （2）

第二A\D转换器10依次把两个模拟相位信号转换成数字信号， A₁、B₁两个模拟信号依次通过第二A\D转换器10转换存在时间差△T，A₁、B₁两个模拟信号的表达式为：

                (3)

  

    (4)

其中

代表余弦信号A通过第二A\D转换器10转换成a时的相位，△t表示A₁、B₁两个模拟信号在第二A\D转换器10被执行转换的间隔时间，V表示光电转换器5与绝对码道7的相对运动速度。

上述正弦与余弦两个相位信号在相位检测器11进行反正切计算得出一个相位，检测相位

的公式为：

       

       

              

                      

                        

           

                       

第一位置检测器12通过上述相位检测器(11)计算所得的相位

计算在一个周期内光电转换器（5）与尺条上编码刻线的相对位置

，

的计算公式为：

               (6)

储存器22储存每个周期内t₀时刻光电转换器5与光栅尺条的相对位置 ₀，速度检测器15检测在每个周期内光电转换器5与光栅尺条1的相对运动速度u，u的计算公式为：

         (7)

上述中速度检测器15检测到的速度是两点之间的平均速度，运动部件在加速或减速时，检测到的速度就会有误差，但在足够短的两点检测到的平均速度就会非常接近运动部件与光栅尺条1相对运动速度V。

    上述中模拟信号经过第二A\D转换器10转换成数字信号的过程中花费时间△T，光电转换器5与光栅尺条1一直在相对运动，这导致了输入与输出相位存在误差E，误差   

E的公式为：

        

       (8)

纠正值处理器16主要处理相位误差值，通过上述速度检测器15检测到的速度u 来计算相位误差，相位误差计算公式为：

       

               (9)

相位纠正处理器17接收到纠正值处理器16输入的相位误差与相位检测器11输入的相位后做加法运算得到最后纠正相位

，的计算公式为：

                     (10)

纠正后每个周期内光电转换器5与光栅尺条1上编码刻线的相对位置

为：

                 (11) 

绝对位置检测器18从上述绝对解码器解码21得到的绝对位置M与相位纠正处理器17计算的相位

 通过计算得到运动部件的绝对位置s, s的计算公式为：

                                   (12)

其中为对应相邻两编码刻线之间纠正后的相位， ，p表示绝对码刻线间距，该间距不变，M表示编码刻线依次编码的排列号码例如：当编码解码器21接收到第

条编码刻线的信息在编码解码器21内进行解码后，可以得到编码刻线排列号为

，然后做一个乘法运算：。

数显表19接收到绝对位置检测器18发送的绝对位置信号马上显示出当前运动部件的绝对位置信息。

本发明的速度判别器主要作用是在减速阶段当速度减小到小于速度判别器20设定的速度阀值后，速度判别器20将发送信号到电路切换器促使A、B信号被阻止，A1、B2信号通过，从而进行高精度测量阶段，高精度测量阶段分两步：首先检测到尺条上绝对编码的位置，然后通过相位细分两编码刻线间的间距，最后通过绝对码位置与相位确定精确位置。

Claims (6)

1.一种高速绝对光栅尺的图像采集电路，所述光栅尺条（1）上刻有粗码道（6）和高精度绝对码道（7），光栅尺条（1）上还装设有读取图像的光电转换器（5）及两个LED光源（4），其特征在于在光电转换器(5)上开有若干个读取数据窗口（2、3）、图像采集电路包括有电路切换器(8)、第一A\D转换器(9)、第二A\D转换器(10)、相位检测器(11)、第一位置检测器(12)、计数器(13)、第二位置检测器(14)、速度检测器(15)、纠正处理器(16)、相位纠正处理器(17)、绝对位置检测器(18)、速度判别器(20)、编码解码器(21)、储存器（22），电路切换器(8)分别与第一A\D转换器(9)、第二A\D转换器(10)及速度判别器(20)连接，第二A\D转换器(10)与相位检测器(11)连接，相位检测器(11)与第一位置检测器（12）连接，第一A\D转换器(9)与计数器(13)连接，计数器(13)与第二位置检测器(14)连接，第二位置检测器(14)与速度判别器(20)连接，第一位置检测器（12）与速度检测器(15)连接，速度检测器(15)与纠正处理器(16)连接及与储存器（22）连接，纠正处理器(16)与相位纠正处理器(17) 连接，相位纠正处理器(17)与绝对位置检测器(18)连接，绝对位置检测器(18)与编码解码器(21)连接，编码解码器(21) 与电路切换器(8)连接，电路切换器(8)，速度判别器(20)、电路切换器（8）通过控制由数据读取窗口（2、3）发生的经光电转换得到4个超前或滞后90⁰相位的A、B、A1、B2正弦或余弦信号与编码刻线图像信号C的通过或阻止来实现光栅尺粗测与精测得切换，第一A\D转换器(9)、第二A\D转换器(10)、第一位置检测器（12）、计数器（13）、第二位置检测器（14）、速度判别器（20）、相位检测器（11）检测绝对编码间的相位来对相邻编码的间距进行细分，编码解码器（21）解码得出编码的位置。

2.根据权利要求1所述的高速绝对光栅尺的图像采集电路，其特征在于上述光电转换器(5)上开有8个读取数据窗口（2、3）。

3.根据权利要求1所述的高速绝对光栅尺的图像采集电路，其特征在于上述绝对位置检测器(18)还连接有数显表(19)。

4.根据权利要求1所述的高速绝对光栅尺的图像采集电路，其特征在于上述当光电转换器（5）与光栅尺条相对运动的速度小于速度判别器（20）内设定速度时电路切换器（8）通过阻止增量码信号通过，允许绝对码信号通过来控制低精度测量与高精度测量的切换。

5.根据权利要求1所述的高速绝对光栅尺的图像采集电路，其特征在于上述绝对码通过编码解码器解码得出运动的光电转换器（5）当前绝对位置L= M x P，绝对编码刻线后的精度通过相位检测器（11）与相位纠正处理器（17）检测对应相邻编码刻线的正弦和余弦波形相位来细分两相邻编码刻线间距，最后两个位置数值相加得出精确位置S，

                                                                      

其中

为对应相邻两编码刻线之间纠正后的相位，

，p表示绝对码刻线间距，该间距不变，M表示编码刻线依次编码的排列号码，当编码解码器（21）接收到第

条编码刻线的信息在编码解码器（21）内进行解码后，得到编码刻线排列号为，然后做一个乘法运算：

。

6.根据权利要求1所述的高速绝对光栅尺的图像采集电路，其特征在于上述栅尺条上低精度码道（6）与高精度码道(7)的刻线都是等距为M、P的周期性排列的，并且通过LED光源（4）照射周期性刻线，然后光反射到光电转换器上的数据窗口（2、3）上产生对应的周期性正弦波。

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