CN106052562B - 一种自适应动态比相的时栅位移测量方法及信号处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应动态比相的时栅位移测量方法及信号处理系统,其测量方法为:在时栅信号处理系统中增加一个自适应动态比相控制模块,该自适应动态比相控制模块根据反馈的位移值确定当前被测对象的运动速度,根据该运动速度确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数,参与比较的比较值从事先存储的采样值中提取,然后进行比较,输出一个周期内的连续脉冲信号,该连续脉冲信号与参考方波信号经比相器比相,再经上位机计算得到一个周期内的连续位移值;其采用的时栅信号处理系统包括比相器、上位机和自适应动态比相控制模块。本发明能避免在测量过程中分辨率随被测对象的运动速度发生变化,实现时栅位移的高速、高分辨率测量。

Description

一种自适应动态比相的时栅位移测量方法及信号处理系统
技术领域
本发明属于位移测量领域,具体涉及一种自适应动态比相的时栅位移测量方法及信号处理系统。
背景技术
高速、高分辨率位移测量是现代高档数控系统的发展趋势,然而现代精密位移测量装置,普遍存在高速与高分辨率测量不能同时兼容的问题,即高分辨率传感器测量速度范围窄,而高速测量传感器分辨率低。以目前工程上应用最为广泛的精密位移传感器——光栅为例,光栅通过对栅线数目的记录来实现位移测量,其测量精度与分辨率由栅线制造的精度和细密度决定,随着运动速度的提高,由于高精度光栅的栅线密度非常大,导致光电转换频率以及数据处理速度均大幅度上升,对高速光电转换设备、高速电路系统、高频电磁兼容等均提出了很高要求。因此,随着速度范围进一步扩大,光栅面临单一传感器难以实现高速与高分辨率测量同时满足的需求,即高分辨率光栅测量速度范围窄,而宽速度范围测量的光栅分辨率低。
时栅是一种新的利用时间测量空间位置的位移传感器,其测量精度和分辨率由高精度时钟脉冲决定;因此,在高速动态测试过程中不会大幅度增加传感器材料与电路处理能力的要求。公开号为CN102288100A、名称为一种基于交变电场的时栅直线位移传感器的专利中,公开了一种时栅信号处理系统,其包括整形电路、比相电路(相当于比相器)和微处理器(相当于上位机),时栅直线位移传感器输出的行波信号U0与一路相位固定的同频率参考信号Ur接入整形电路处理,转换为同频率的两路方波信号后,由比相电路进行比相,两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示,再经微处理器标度变换后得到直线位移值。这种信号处理系统采用一周期过零比相一次的位移测量方法,该方法在进行动态测量时,时栅等时间测量的空间采样间隔会随被测对象的运动速度变化而变化,当被测对象的运动速度快时,空间采样间隔大,当被测对象的运动速度慢时,空间采样间隔小,也就是说,这种测量方法存在测量值不连续和不同速度下分辨率发生变化的问题。
公开号为CN101082507A、名称为利用时栅位移传感器实现数控转台角位移预测测量的方法的专利中,公开了一种预测测量方法,其能解决低速、低加速度的时栅测量值转换为连续空间测量值的问题,但是在高速、高加速度的测量环境下进行精密测量时,用预测测量方法难以建立准确的数学模型,也将难以实现高速与高分辨率时栅位移测量的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应动态比相的时栅位移测量方法及信号处理系统,以避免在测量过程中分辨率随被测对象的运动速度发生变化,实现时栅位移的高速、高分辨率测量。
本发明所述的自适应动态比相的时栅位移测量方法为:在时栅信号处理系统中增加一个自适应动态比相控制模块,该自适应动态比相控制模块根据反馈的位移值确定当前被测对象的运动速度,根据当前被测对象的运动速度确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数,参与比较的比较值从事先存储的采样值中提取,然后进行比较,输出一个时栅电行波信号周期内的连续脉冲信号,该连续脉冲信号与参考方波信号经比相器比相,得到连续的增量时间测量值,再经上位机计算得到一个时栅电行波信号周期内的连续位移值;其中,所述的采样值由静止状态下对时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样得到。
具体实现过程包括:
步骤一、自适应动态比相控制模块对静止状态下时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样,得到N个采样值,并按时间先后依次存储;
步骤二、上位机将测量的位移值反馈给自适应动态比相控制模块,自适应动态比相控制模块对当前测量的位移值之前的i个位移值进行存储;
步骤三、自适应动态比相控制模块利用存储的前i个位移值,对当前被测对象的运动速度v进行计算,其计算表达式为:
其中,i为常数,Xi为前第i个位移测量点的位移值,△t为前第1个位移测量点与前第i个位移测量点的时间差;
步骤四、自适应动态比相控制模块根据当前被测对象的运动速度v,确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数m,m与v成正比关系,且m≤N;
步骤五、自适应动态比相控制模块从存储的N个采样值中等间隔提取m个采样值与时栅电行波信号进行比较,输出m个脉冲信号至比相器;
步骤六、比相器将m个脉冲信号与参考方波信号比相,输出m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm至上位机;
步骤七、上位机利用m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm进行计算,可分别得到一个时栅电行波信号周期内的m个位移值Xm,其计算表达式为:
其中,W0为一个对极的空间当量,T0为时栅激励信号周期。
实现上述时栅位移测量方法的时栅信号处理系统有两种。
第一种时栅信号处理系统包括比相器、上位机和自适应动态比相控制模块,自适应动态比相控制模块包括采样电路、第二A/D转换器和自适应控制器,所述采样电路的输入端输入时栅电行波信号,采样电路的输出端与自适应控制器的采样信号输入端连接,采样电路对静止状态下时栅电行波信号一个周期内的幅值进行等时间采样,并将采样值输入至自适应控制器,第二A/D转换器的输入端输入时栅电行波信号,第二A/D转换器的输出端与自适应控制器的电行波信号输入端连接,第二A/D转换器将输入的时栅电行波信号转换成数字信号并输入至自适应控制器,自适应控制器的输出端与比相器的一个输入端连接,比相器的另一个输入端输入参考方波信号,比相器的输出端与上位机的输入端连接,上位机的输出端与自适应控制器的反馈信号输入端连接。其中,所述采样电路为第一A/D转换器。
第二种时栅信号处理系统包括比相器、上位机和自适应动态比相控制模块,自适应动态比相控制模块包括采样电路、自适应控制器、D/A转换器和比较整形电路,所述采样电路的输入端输入时栅电行波信号,采样电路的输出端与自适应控制器的采样信号输入端连接,自适应控制器的输出端与D/A转换器的输入端连接,D/A转换器的输出端与比较整形电路的一个输入端连接,比较整形电路的另一个输入端输入时栅电行波信号,比较整形电路的输出端与比相器的一个输入端连接,比相器的另一个输入端输入参考方波信号,比相器的输出端与上位机的输入端连接,上位机的输出端与自适应控制器的反馈信号输入端连接。
其中,所述比较整形电路包括双向比较器、光电隔离器和反相器,所述D/A转换器的输出端与双向比较器的一个输入端连接,双向比较器的另一个输入端输入时栅电行波信号,双向比较器的输出端与光电隔离器的输入端连接,光电隔离器的输出端与反相器的输入端连接,反相器的输出端与比相器的一个输入端连接。光电隔离器和反相器用于对信号进行整形。所述采样电路为第一A/D转换器,用于在静止状态下对时栅电行波信号一个周期内的幅值进行等时间采样。
本发明的技术方案可总结为:在高速动态测量时,将时栅位移的离散测量值按时间序列转换为连续空间测量值。
本发明利用自适应动态比相控制模块,根据被测对象的运动速度自动调整与时栅电行波信号的比较次数,进而调整与参考方波信号的比相次数,其实现了一个时栅电行波信号周期内的连续动态比相测量,避免了在测量过程中其分辨率随被测对象的运动速度发生变化,实现了时栅位移的高速、高分辨率测量。
附图说明
图1为实施例1中的时栅信号处理系统的电路框图。
图2为实施例1中的时栅信号处理系统中信号的流向图。
图3为实施例1中的自适应控制器的服务程序流程图。
图4为现有的时栅位移测量方法与实施例1中的时栅位移测量方法的对比示意图。
图5为实施例1中的时栅位移测量原理图。
图6为实施例2中的时栅信号处理系统中信号的流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例1:
如图4所示,通过一周期过零比相一次的方法(即现有的时栅位移测量方法)进行位移测量,获得的位移值是离散的,且测量点数固定;而本发明的时栅位移测量方法在此基础上利用自适应控制实现测量点数(对应于一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数m)的自动调整,从而获得连续的增量式脉冲,实现时栅宽速度范围内的等分辨率测量。
如图1、图2所示的时栅信号处理系统,包括自适应动态比相控制模块1、比相器2和上位机3,自适应动态比相控制模块1包括采样电路、自适应控制器12(即U2)、D/A转换器13(即U3)和比较整形电路,采样电路为第一A/D转换器11(即U1),比较整形电路包括双向比较器14、光电隔离器15和反相器16,双向比较器14由同类型的两个过零比较器反向串联构成。
自适应控制器12采用可编程逻辑芯片CycloneII处理数据,其具体型号为EP2C5T144I8N,内部集成有RAM控制单元U21、RAM U22(即存储器)、与非门U23以及计算单元U24;第一A/D转换器11的D0端输入时栅电行波信号,第一A/D转换器11的PDWN端(低电平有效)接与非门U23的输出端,与非门U23的两个输入端分别接RAM控制单元U21的使能端(即/En)和RAM U22的清零端(即REC),第一A/D转换器11的数据输出端O0~O11分别接入RAM控制单元U21的数据输入端D0~D11(即自适应控制器12的采样信号输入端),RAM控制单元U21的数据输出端O0~O11分别与RAM U22的数据输入端D0~D11相连,RAM控制单元U21的地址输出端A12~A19分别与RAM U22的地址输入端D12~D19相连,RAM U22的数据输出端O0~O11分别接D/A转换器13的数据输入端D0~D11,D/A转换器13的数据输出端O0与双向比较器14的一个输入端连接,双向比较器14的另一个输入端输入时栅电行波信号,双向比较器14的输出端与光电隔离器15的输入端连接,光电隔离器15的输出端与反相器16的输入端连接,反相器16的输出端与比相器2的一个输入端连接,比相器2的另一个输入端输入参考方波信号(由正弦参考信号经整形电路整形得到),比相器2的输出端与上位机3的输入端连接,上位机3的输出端接计算单元U24的输入端D0(即自适应控制器12的反馈信号输入端),计算单元U24的输出端O0接RAM控制单元U21的输入端D12。
如图1至图5所示,采用上述时栅信号处理系统进行自适应动态比相的时栅位移测量方法包括:
步骤一、第一A/D转换器11对静止状态下(即被测对象未运动时)时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样,得到N个采样值,并将该N个采样值输入至自适应控制器12中,自适应控制器12按时间先后依次将N个采样值存储在存储器中。第一A/D转换器11的PDWN端由RAM控制单元U21的/En端和RAM U22的REC端控制,当需要进行采样或者更新RAMU22中的N个采样值数据时,由时序电路置/En端和REC端同时为1,则第一A/D转换器11的PDWN端为0;此时,第一A/D转换器11开始对静止状态下时栅电行波信号一个周期内的幅值进行等时间采样,采样次数为N,得到N个采样值,N个采样值通过第一A/D转换器11的数据输出端O0~O11输出,经RAM控制单元U21的数据输入端D0~D11、数据输出端O0~O11,并根据RAM控制单元U21的地址输出端A12~A19分配的地址存储到RAM U22中。
步骤二、上位机3将测量的位移值反馈至计算单元U24,计算单元U24对当前测量的位移值之前的i个位移值进行存储。
步骤三、计算单元U24利用存储的前i个位移值,对当前被测对象的运动速度v进行计算,其计算表达式为:
其中,i为常数,Xi为前第i个位移测量点的位移值,△t为前第1个位移测量点与前第i个位移测量点的时间差。
步骤四、计算单元U24根据当前被测对象的运动速度v,确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数m,m与v成正比关系(即m=k×v,k为不等于零的常数),且m≤N。
步骤五、RAM控制单元U21通过地址输出端A12~A19控制RAM U22等间隔的从数据输出端O0~O11输出m个采样值到D/A转换器13,该间隔大小由计算单元U24的输出端O0控制,计算单元U24根据比较的次数m确定RAM U22的输出地址间隔大小;D/A转换器13将m个采样值转换成m个对应的模拟信号(即转换得到m个采样值的模拟信号)后,输入至双向比较器14,作为动态比较的阀值,双向比较器14将m个采样值的模拟信号与时栅电行波信号(也为模拟信号)进行比较,然后再经光电隔离器15隔离、反相器16反相后,输出m个脉冲信号(即m个连续方波信号)至比相器2。
步骤六、比相器2将m个脉冲信号与参考方波信号过零点比相,输出m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm(即连续的增量式脉冲)至上位机3。
步骤七、上位机3利用m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm进行计算,可分别得到一个时栅电行波信号周期内的m个位移值Xm,实现连续位移测量,其计算表达式为:
其中,W0为一个对极的空间当量,T0为时栅激励信号周期。
实施例2:
如图6所示的时栅信号处理系统,包括自适应动态比相控制模块1、比相器2和上位机3,自适应动态比相控制模块1包括采样电路、第二A/D转换器17和自适应控制器12,采样电路为第一A/D转换器11,第一A/D转换器11的输入端输入时栅电行波信号,第一A/D转换器11的输出端与自适应控制器12的采样信号输入端连接,第二A/D转换器17的输入端输入时栅电行波信号,第二A/D转换器17的输出端与自适应控制器12的电行波信号输入端连接,自适应控制器12的输出端与比相器2的一个输入端连接,比相器2的另一个输入端输入参考方波信号,比相器2的输出端与上位机3的输入端连接,上位机3的输出端与自适应控制器12的反馈信号输入端连接。
采用上述时栅信号处理系统进行自适应动态比相的时栅位移测量方法包括:
步骤一、第一A/D转换器11对静止状态下(即被测对象未运动时)时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样,得到N个采样值,并将该N个采样值输入至自适应控制器12中,自适应控制器12按时间先后依次将N个采样值存储。
步骤二、上位机3将测量的位移值反馈至自适应控制器12,自适应控制器12对当前测量的位移值之前的i个位移值进行存储。
步骤三、自适应控制器12利用存储的前i个位移值,对当前被测对象的运动速度v进行计算,其计算表达式为:
其中,i为常数,Xi为前第i个位移测量点的位移值,△t为前第1个位移测量点与前第i个位移测量点的时间差。
步骤四、自适应控制器12根据当前被测对象的运动速度v,确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波数字信号比较的次数m,m与v成正比关系(即m=k×v,k为不等于零的常数),且m≤N。
步骤五、第二A/D转换器17将输入的时栅电行波信号(为模拟信号)转换成时栅电行波数字信号并输入至自适应控制器12,自适应控制器12从存储的N个采样值中等间隔提取m个采样值与时栅电行波数字信号进行比较,输出m个脉冲信号(即m个连续方波信号)至比相器2。
步骤六、比相器2将m个脉冲信号与参考方波信号比相,输出m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm至上位机3。
步骤七、上位机3利用m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm进行计算,可分别得到一个时栅电行波信号周期内的m个位移值Xm,其计算表达式为:
其中,W0为一个对极的空间当量,T0为时栅激励信号周期。

Claims (6)

1.一种自适应动态比相的时栅位移测量方法,其特征在于:在时栅信号处理系统中增加一个自适应动态比相控制模块(1),该自适应动态比相控制模块根据反馈的位移值确定当前被测对象的运动速度,根据当前被测对象的运动速度确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数,参与比较的比较值从事先存储的采样值中提取,然后进行比较,输出一个时栅电行波信号周期内的连续脉冲信号,该连续脉冲信号与参考方波信号经比相器(2)比相,得到连续的增量时间测量值,再经上位机(3)计算得到一个时栅电行波信号周期内的连续位移值;其中,所述的采样值由静止状态下对时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样得到;具体实现过程包括:
步骤一、自适应动态比相控制模块(1)对静止状态下时栅电行波信号一个周期内的幅值等时间采样,得到N个采样值,并按时间先后依次存储;
步骤二、上位机(3)将测量的位移值反馈给自适应动态比相控制模块(1),自适应动态比相控制模块(1)对当前测量的位移值之前的i个位移值进行存储;
步骤三、自适应动态比相控制模块(1)利用存储的前i个位移值,对当前被测对象的运动速度v进行计算,其计算表达式为:
其中,i为常数,Xi为前第i个位移测量点的位移值,△t为前第1个位移测量点与前第i个位移测量点的时间差;
步骤四、自适应动态比相控制模块(1)根据当前被测对象的运动速度v,确定一个时栅电行波信号周期内与时栅电行波信号比较的次数m,m与v成正比关系,且m≤N;
步骤五、自适应动态比相控制模块(1)从存储的N个采样值中等间隔提取m个采样值与时栅电行波信号进行比较,输出m个脉冲信号至比相器(2);
步骤六、比相器(2)将m个脉冲信号与参考方波信号比相,输出m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm至上位机(3);
步骤七、上位机(3)利用m个增量时间测量值△T1,△T2…△Tm进行计算,可分别得到一个时栅电行波信号周期内的m个位移值Xm,其计算表达式为:
其中,W0为一个对极的空间当量,T0为时栅激励信号周期。
2.一种实现如权利要求1所述的时栅位移测量方法的时栅信号处理系统,包括比相器(2)和上位机(3),其特征在于:还包括自适应动态比相控制模块(1),该自适应动态比相控制模块包括采样电路、第二A/D转换器(17)和自适应控制器(12),所述采样电路的输入端输入时栅电行波信号,采样电路的输出端与自适应控制器(12)的采样信号输入端连接,第二A/D转换器(17)的输入端输入时栅电行波信号,第二A/D转换器(17)的输出端与自适应控制器(12)的电行波信号输入端连接,自适应控制器(12)的输出端与比相器(2)的一个输入端连接,比相器(2)的另一个输入端输入参考方波信号,比相器(2)的输出端与上位机(3)的输入端连接,上位机(3)的输出端与自适应控制器(12)的反馈信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的时栅信号处理系统,其特征在于:所述采样电路为第一A/D转换器(11)。
4.一种实现如权利要求1所述的时栅位移测量方法的时栅信号处理系统,包括比相器(2)和上位机(3),其特征在于:还包括自适应动态比相控制模块(1),该自适应动态比相控制模块包括采样电路、自适应控制器(12)、D/A转换器(13)和比较整形电路,所述采样电路的输入端输入时栅电行波信号,采样电路的输出端与自适应控制器(12)的采样信号输入端连接,自适应控制器(12)的输出端与D/A转换器(13)的输入端连接,D/A转换器(13)的输出端与比较整形电路的一个输入端连接,比较整形电路的另一个输入端输入时栅电行波信号,比较整形电路的输出端与比相器(2)的一个输入端连接,比相器(2)的另一个输入端输入参考方波信号,比相器(2)的输出端与上位机(3)的输入端连接,上位机(3)的输出端与自适应控制器(12)的反馈信号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的时栅信号处理系统,其特征在于:所述比较整形电路包括双向比较器(14)、光电隔离器(15)和反相器(16),所述D/A转换器(13)的输出端与双向比较器(14)的一个输入端连接,双向比较器(14)的另一个输入端输入时栅电行波信号,双向比较器(14)的输出端与光电隔离器(15)的输入端连接,光电隔离器(15)的输出端与反相器(16)的输入端连接,反相器(16)的输出端与比相器(2)的一个输入端连接。
6.根据权利要求4或5所述的时栅信号处理系统,其特征在于:所述采样电路为第一A/D转换器(11)。
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