CN1062351C - 电荷耦合器直接细分光栅位移传感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械精密测量技术领域，这种位移传感器包括一个幅值型标尺光栅，位于光栅一侧的平行光光源，位于另一侧的线阵CCD器件，以及相应的驱动和信号处理电路。该传感器的线阵CCD视场与光栅栅线方向成一夹角θ。其实现方法为利用与光栅栅线成θ角的CCD器件获取栅线的像，并对其进行定位。本发明结构紧凑，成本低，电路简单，有良好的接口性能，即可以用作短量程高精度的位移传感器，又可以作为光栅读数头用于长光栅测量系统。

Description

电荷耦合器直接细分光栅位移传感器及其实现方法

本发明属于机械精密测量技术领域，可以替代传统的光栅读数头及数显表，用于大量程、高精度的接触式位移测量和定位系统。

高精度的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得位置精度的基础，也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素。在这些方面发展得比较成熟的主要是栅尺类位移传感器，其中又以光栅位移传感器为主要代表。栅尺类位移传感器具有便于位移信号数字化、高分辨率、大量程、测量效率高、可靠性好等优点，在今后一段时期内仍将是位移测量的主要发展方向。

传统的光栅位置测量装置，是以莫尔条纹为测量依据的。即当两块具有相同栅距的光栅以很小的角度交错时，在与栅线近似垂直的方向上会产生一系列平行的条纹图案。该图案的移动对光栅的移动有放大作用。在传统的测量装置中，莫尔条纹由光电元件(通常是硅光电池)读取后，经过放大、细分、辩向、计数等环节，最终得到数字化的位置信号。目前高精度的光栅测长仪仍沿用电路细分莫尔条纹的方法，但随着细分数的提高，测量精度、系统的可靠性及动态响应速度都受到影响，而且测量系统的价格也成倍增加。在一定程度上讲，通过后续电路对莫尔条纹进行高倍数细分已经成为了制约光栅测量系统发展的瓶颈。近年来已有报导将电荷耦合器件(CCD)用于光栅莫尔条纹的拾取，使光栅定位精度有很大的提高，但在测量原理上仍沿用了莫尔条纹的定位方法[2]，即以CCD代替四象限硅光电池，并配以脉冲填充的相位细分法。在细分方法上属于莫尔条纹的相位细分法。

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出了采用CCD器件对幅值光栅栅距进行直接数字化细分的传感器及其实现方法，只使用一块标尺光栅，无须光栅付及莫尔条纹，结构紧凑，电路简单，有良好的接口性能，即可以用作短量程高精度的位移传感器，又可以作为光栅读数头用于长光栅测量系统，制作成本也大大低于同等精度的传统光栅测量系统。

这种以线阵CCD器件直接细分光栅栅线间距的位移传感器包括一个幅值型标尺光栅，位于光栅一侧的平行光光源，位另一侧的线阵CCD器件，以及相应的驱动和信号处理电路。该传感器的线阵CCD视场与光栅栅线方向成一夹角θ。光栅移动时，栅线的像以此夹角扫过CCD的成像面。

CCD器件直接细分光栅栅线间距的实现方法的特征为利用与光栅栅线成θ角的CCD器件获取栅线的像，并对其进行定位。具体包括以下步骤：

(1)将CCD置于标尺光栅一侧，并使CCD视场方向与栅栅线方向保持一θ角，以保证至少两条栅线能够投影在CCD视场中；

(2)在均匀背景光照射下，光栅栅线被投影在CCD的光敏面上形成明暗相间的像，栅线的像随光栅移动而移动；

(3)线阵CCD在驱动电路控制下对一维视场中的像进行扫描；

(4)对CCD输出脉冲进行整形和比较及二值化处理，得到从扫描起点到第一条栅线的像的脉冲序列；

(5)对上述脉冲序列进行计数；

(6)计数结果送入计算机，得出某一条栅线相对于CCD扫描起点的位移量；

(7)对计数结果变化速度和方向进行识别；当某一条栅线进入或移出CCD视场时，计数结果会发生突变，此时将上一个计数周期的结果，即绝对栅距进行累计，得出大于一个栅距的位移量。

本发明的工作原理为：所谓直接细分，就是利用线阵CCD上数千个等间距的象素所构成的“感光尺”对整栅距的位移信号，即栅线与线阵CCD光敏元的交点的移动信号进行细分。使测量信号能够反映一个栅距内的精确位移。这种细分是在CCD拾取交点信息的同时利用CCD采样脉冲实现的，故称为直接细分。细分的具体方法如下：在均匀的背景光照明下，光栅刻线在CCD象素位置上形成明暗相间的象，如图1a，CCD在扫描驱动脉冲的控制下对一维视场进行扫描，输出一个周期性的脉冲序列。周期内的脉冲数等于象素数，脉冲幅值反映了象点的亮度，如图1b，从脉冲序列中可以明显地辨认出交点的位置(暗点)。对脉冲进行限幅比较，并配以简单的逻辑电路即可筛选出从扫描原点到第一个交点之间的脉冲，如图1c。当刻线与CCD象场的交点移动时，亮点临界脉冲的位置也相应地改变。用计数器记下从扫描原点到临界脉冲间的脉冲数，即可确定光栅在一个栅距间的位移。将计数脉冲与扫描脉冲合二为一大大简化了后续电路，如图1d。

当光栅位移大于一个栅距时，交点的位置发生突变，此时从扫描原点到临界脉冲之间的脉冲数也会发生突变。通过计算机记下突变的次数N₁以及变化的正负方向，再经过累加计算即可获得大于一个栅距的位移。这种累计方法记录了每个栅距间的绝对距离，所以可以排除因光栅刻线粗细、间距不均匀而造成的测量误差。

线阵CCD与标尺光栅刻线有一个θ角，改变θ角的大小就可以改变视场中交点的个数，从而改变直接细分的分辨率。CCD直接细分的分辨率δ由下式决定： $\mathrm{\δ}=\frac{L\×\sin \mathrm{\θ}}{P}=\frac{q\×\mathrm{\ω}}{P}-------\left(1\right)$

式中L为CCD的象场长度，P为有效象素数，q为象场中的交点数，ω为光栅栅线间距。

目前较实用的线阵CCD象素数可以做到5000个。设在视场中有两个交点的象，栅距为0.01mm，由公式(1)可知分辨率δ达到4纳米。

这种细分方法的分辨率取决于两交点象之间所包含的象素数，精度取决于象素的尺寸精度以及各象素光电特性的一致性。由于CCD器件是采用蚀刻方法制作的集成电路，各象素尺寸和光电特性都较均一，所以采用CCD直接细分法时精度可以做到与分辨率δ同一个量级。采用软件拟合方法后，精度还可以进一步提高。

该方法利用CCD分辨率高、象素均匀的特点，对光栅刻线的象的移动进行精确定位和直接数字化，改变了以往对莫尔条纹进行相位细分的方法。该方法将细分和数字化在测量信号处理流程中的位置前移到光电转换环节，大大简化了后续电路，同时细分数也有大幅度提高，可以方便地实现数千倍的细分。在数据拼接时采用绝对栅距累加的方法，减小了光栅刻线质量对测量精度的影响。整个系统可由计算机通过并行端口进行控制。

附图简要说明：

图1为本发明CCD直接细分栅距的原理

图2为本发明的长光栅测量系统框图

图3为实施例测量软件框图

图4为实施例传感器结构简图

本发明提出的CCD直接细分光栅栅距方法的实施例如图2～4所示，现结合附图说明如下：总体组成结构如图2所示，包括一幅值型标尺光栅，栅距为0.01 mm，线阵CCD，象素数为2000个，用于产生时钟和放大信号的CCD驱动电路，信号整形与比较电路，计数器和接口控制电路以及测量软件。系统的工作是在测量软件控制下经PC机并行端口实现的。测量软件如图3所示，包括端口初始化、分段读数、数据拼接、栅距判断和累加等功能模块。其中分段读数用于将计数器的输出结果按照不同的位数分别读入计算机，数据拼接将读入的数据重新组合出计数器的结果，栅距判断用于识别是否有新的栅线移入或移出CCD视场，栅距累加用于计算绝对位移。传感器的结构如图4所示，包括提供系统照明的平行光源1、指示被测物体位移的光栅2、细分栅距用的线阵CCD 3以及传感器驱动电路板4。

利用这种方法制作的传感器已在大尺寸直径测量装置中应用，当采用2048像素的线阵CCD时精度为0.15微米。

Claims (2)

1、一种以线阵CCD器件直接细分光栅栅线间距的位移传感器。包括一个幅值型标尺光栅，位于光栅一侧的平行光光源，位于另一侧的线阵CCD器件，以及相应的驱动和信号处理电路，其特征在于线阵CCD视场与光栅栅线方向成一夹角θ，以保证至少两条栅线能够投影在CCD视场中。

2、如权利要求1所述的传感器的实现方法，其特征在于利用与光栅栅线成θ角的CCD器件获取栅线的像，并对其进行定位，具体包括以下步骤：

(1)将CCD置于标尺光栅一侧，并使CCD视场方向与栅栅线方向保持一θ角，以保证至少两条栅线能够投影在CCD视场中；

(2)在均匀背景光照射下，光栅栅线被投影在CCD的光敏面上形成明暗相间的像，栅线的像随光栅移动而移动；

(3)线阵CCD在驱动电路控制下对一维视场中的像进行扫描；

(4)对CCD输出脉冲进行整形和比较及二值化处理，得到从扫描起点到第一条栅线的像的脉冲序列；

(5)对上述脉冲序列进行计数；

(6)计数结果送入计算机，得出某一条栅线相对于CCD扫描起点的位移量；

(7)对计数结果变化速度和方向进行识别；当某一条栅线进入或移出CCD视场时，计数结果会发生突变，此时将上一个计数周期的结果，即绝对栅距进行累计，得出大于一个栅距的位移量。

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