CN107862113A - 光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在变速运动过程中光栅动态测量的时效误差补偿方法。本发明包括以下步骤：实时计算光栅莫尔信号相位测量值对时间的n阶微分，获得信号实时频率；离线标定不同信号频率下模拟电路的相移误差；离线标定光栅莫尔信号经过模拟电路所耗时间、计算数字电路算法处理时间，通过泰勒模型实时计算光栅变速运动过程中的延时误差；根据信号实时频率查表获得对应相移误差的值，与延时误差合并为时效误差；将时效误差按比例转换为光栅测量误差补偿进光栅测量值中。本发明使用时效误差表征光栅动态测量在变速运动过程中相移误差和延时误差的整体影响，提出能够满足变速、变加速等复杂运动工况下的误差补偿方法，以提升光栅动态测量精度。

Description

光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法
技术领域
本发明涉及光栅动态测量领域，特别是涉及一种光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法。
背景技术
随着科学技术的迅速发展，动态测量在测试技术领域逐渐占据主导地位。和静态测量相比，由于动态测量起步较晚、复杂程度更高，导致其理论体系尚不完善，关于动态测量的各项误差源仍缺乏系统认知。与之同时，工业发展对动态测量精度的要求却在不断提高，动态测量误差补偿技术成为研究重点。
光栅是实现动态测量的重要手段，但由于传感器响应时间、电缆长度、印刷电路板线路长度和数字电路信号处理、线性滤波器群延时等环节引入了固定时间延迟；同时模拟电路中放大器、非线性滤波器等器件引入了随输入信号频率变化的非固定相移。固定时间延迟与非固定相移使光栅输出信号与测量信号相位上产生偏差从而影响动态测量精度。
因固定时间延迟造成的相位偏差被称为延时误差，因非固定相移造成的相位偏差被称为相移误差，两种误差之和被称为时效误差。当光栅变速运动时，时效误差大小取决于光栅运动的速度(频率)、加速度及更高阶导数误差分量。
目前国内仍未对光栅动态测量误差中时效误差的分离补偿技术作相应研究，而是普遍将时效误差与其它测量误差(如噪声造成的误差)糅合在一起，统一表征为动态测量误差并通过一定的拟合方法建立误差补偿模型。如发明专利《基于深度学习的光栅尺测量误差动态补偿方法》(专利申请号201610428128.7)中采用经验模式分解算法和CNN神经网络对误差数据进行分析以获得误差补偿模型。但这类方法没有对动态测量各误差源作辨析，且光栅运动状态不断变化时，需采集各状态下的大量误差数据来保证模型建立的可靠性，十分繁琐复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法。
本发明包括以下步骤：
a.实时计算光栅莫尔信号相位测量值φm(t)对时间的n阶微分φm (n)(t)，获得信号实时频率(一阶微分)和更高阶微分量。
b.离线标定不同信号频率下模拟电路的相移误差Δφp(t)并存储在查找表中。
c.离线标定光栅莫尔信号经过模拟电路所耗时间τ1、计算数字电路算法处理时间τ2，通过泰勒模型实时计算光栅变速运动过程中的延时误差
d.根据信号实时频率查表获得对应相移误差Δφp(t)的值，与延时误差Δφτ(t)合并为时效误差Δφ(t)。
e.将时效误差按比例转换为光栅测量误差Δσ(t)补偿进光栅测量值σm(t)中，输出误差补偿后的光栅动态测量值σ(t)＝σm(t)+Δσ(t)。
本发明的有益效果是：建立了一种更符合实际工况的光栅变速运动过程中时效误差补偿模型，以补偿光栅动态测量时因对信号处理造成的测量误差，保证了光栅在任意运动状态下的动态测量精度。
附图说明
图1是光栅输出莫尔信号u(t)与电路处理后的测量信号um(t)相位对应关系示意图；
图2是模拟和数字电路各自的时效误差源示意图；
图3是具有非线性相频特性模拟器件的相频特性曲线图；
图4是光栅变速运动过程中延时误差Δφτ(t)示意图；
图5是光栅变速运动过程中时效误差Δφ(t)示意图；
图6是光栅动态测量变速运动过程中时效误差补偿流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1是光栅输出莫尔信号u(t)与电路处理后的测量信号um(t)相位对应关系示意图。其中φ(t)是光栅输出信号相位，φm(t)是测量信号相位，Δφ(t)是测量信号与输出信号间的相位偏差，被称为时效误差。光栅输出莫尔信号u(t)经模拟和数字电路处理后，由于延时和相移的影响，测量信号um(t)在相位上滞后于光栅输出信号，导致测量值无法实时表征光栅动态位置，这为光栅动态测量引入时效误差。
图2是模拟和数字电路各自的时效误差源示意图。时效误差源分为两类：因固定时间延迟造成的信号相位滞后和因模拟器件相频特性造成的信号相位偏移，两者分别被称为延时误差和相移误差。模拟电路中传感器响应时间、电缆长度、印刷电路板线路长度引入固定时间延迟，放大器、非线性滤波器等具有非线性相频特性的器件引入随输入信号频率变化的非固定相移；数字电路中算法处理时间、数字线性滤波器群延时等环节引入固定时间延迟。固定时间延迟在误差形式上同样表现为测量信号相对光栅输出信号的相位偏移误差，与非固定相移共同影响时效误差。
图3是具有非线性相频特性模拟器件的相频特性曲线图。光栅变速运动过程中，莫尔信号频率持续变化，信号经过具有非线性相频特性的模拟器件后，引入随信号频率变化的相移误差Δφp(t)。
图4是光栅变速运动时，延时误差Δφτ(t)示意图。由于电路对信号的处理引入延时量τ，导致掺杂延时的信号相位永远滞后于光栅输出信号相位。τ由两部分组成：信号经过模拟电路所耗时间τ1、数字电路算法处理时间τ2，当模拟电路和软件算法设计完成并不再改变时，τ相应固定。
对于相同延时τ，延时误差Δφτ(t)随变速运动过程中光栅的速度、加速度及更高阶导数变化而变化。图4中对应相同延时τ，Δφ1τ与Δφ2τ相位大小明显不同。因此需要从获取的相位测量值φm(t)中提取光栅实时速度、加速度及更高阶导数信息，结合泰勒模型量化光栅不同运动状态下的延时误差Δφτ(t)，具体公式如下：
该模型支持光栅以任意状态运动，匀速工况下的延时误差对应此模型中n＝1的表达式。
图5是光栅变速运动过程中时效误差Δφ(t)示意图。由于光栅运动状态变化使得莫尔信号频率(一阶微分)和更高阶微分量不断改变，对应的延时误差Δφτ(t)、相移误差Δφp(t)及二者共同影响的时效误差Δφ(t)大小随之变化——图中两组信号过零点A-A’、B-B’的相位偏差量Δφ1和Δφ2大小明显不同。
图6是光栅动态测量变速运动过程中时效误差补偿流程图。现根据前面所述的原理对时效误差进行量化并补偿。
a.实时计算光栅莫尔信号相位测量值φm(t)对时间的多阶微分φm (n)(t)，获得信号实时频率(一阶微分)和更高阶微分量。
b.模拟电路设计完成后，可使用网络分析仪离线标定不同信号频率下模拟电路引入的相移误差Δφp(t)并存储在查找表中。
c.离线标定光栅莫尔信号经过模拟电路所耗时间τ1、计算数字电路算法处理时间τ2，通过泰勒模型实时计算光栅变速运动过程中的延时误差
d.根据信号实时频率查表获得对应相移误差Δφp(t)的值，与延时误差Δφτ(t)合并为时效误差Δφ(t)：
Δφ(t)＝Δφp(t)+Δφτ(t)
e.将时效误差Δφ(t)按比例转换为光栅测量误差Δσ(t)：
Δσ(t)＝KΔφ(t)
式中K为时效误差与光栅测量误差间的比例系数。若光栅分辨力为δ，则将光栅测量误差补偿进光栅测量值σm(t)中，输出误差补偿后的光栅动态测量值：
σ(t)＝σm(t)+Δσ(t)
值得指出的是，时效误差存在于任何动态测量中，任意运动状态下的圆光栅、直线光栅或其他感应器件若进行后续信号处理势必引入时效误差。只要是根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无须经过创造性劳动即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a.实时计算光栅莫尔信号相位测量值φm(t)对时间的n阶微分φm (n)(t)，获得信号实时频率和更高阶微分量；
b.离线标定不同信号频率下模拟电路的相移误差Δφp(t)并存储在查找表中；
c.离线标定光栅莫尔信号经过模拟电路所耗时间τ1、计算数字电路算法处理时间τ2，通过泰勒模型实时计算光栅变速运动过程中的延时误差
d.根据信号实时频率查表获得对应相移误差Δφp(t)的值，与延时误差Δφτ(t)合并为时效误差Δφ(t)；
e.将时效误差按比例转换为光栅测量误差Δσ(t)补偿进光栅测量值σm(t)中，输出误差补偿后的光栅动态测量值σ(t)＝σm(t)+Δσ(t)。
2.根据权利要求1所述的光栅动态测量在变速运动中的时效误差补偿方法，其特征在于：不同信号频率下模拟电路的相移误差采用网络分析仪进行离线标定。
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Assignee: Xinchang China Metrology University Enterprise Innovation Research Institute Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Time effect error compensation method of grating dynamic measurement in variable speed motion

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