CN108088372A - 一种基于新型计量光栅的位移测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于新型计量光栅的位移测量系统及方法，系统部分包括光源、聚光镜，锥形指示光栅，锥形标尺光栅，七个光敏元件、三个平均值模块、整形电路、细分变向模块、可逆计数模块和数字显示模块；本发明采用的光栅副中主光栅与指示光栅线均为锥形槽，即一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的顶角为θ锥形条纹，形成连续的透光区和不透光区。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者的栅线保持平行即可，因此降低了光栅副的加工和装配难度，且提高了测量的精度。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及基于一种基于新型计量光栅的位移测量系统及方法。
技术背景
计量光栅,已经广泛用于精密测量、自动定位、跟踪测试和光学信息处理等领域。光栅质量的优劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低将直接影响光栅测量仪器的精度和性能。计量光栅的种类很多,计量光栅大部分使用黑白相间的振幅光栅,有时也用相位光栅，但其栅线均采用直线槽形。由于各种光栅的节距相差很大,精度要求也不一样,因此制造方法各不相同。10l/mm～250l/mm左右的光栅可采用刻划机刻划、投影光刻和照相复制等方法,而作为计量用的600l/mm～3000l/m m的衍射光栅可采用光栅刻划机刻划和全息法制造等。
计量光栅位移测量系统原理是利用光源和光栅尺的相对移动来对光进行调制，通过接收调制后的光信号获得位移信息。用于低线数的光栅尺(20μm至大约40μm的栅距)，采用成像扫描原理(光栅栅距大于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生明暗相间的图形即莫尔条纹，其测量原理称影像原理)；光源产生的光束通过聚光镜平行后，穿过标尺光栅时，在其费涅尔焦面形成明/暗区，指示光栅就在这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过两个光栅的光强得到调制形成莫尔条纹。光电器件将这些光强变化转化成电信号。直线槽形光栅产生的莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角φ而改变。φ越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了倍。由此可见，直线槽形计量光栅的光学放大作用完全取决于刻线夹角φ，因此对光栅副的加工和装配要求比较高。
发明内容
本发明是在现有的直线槽形计量光栅的位移测量系统之外，提供一种基于新型计量光栅的位移测量系统及方法。
具体的发明内容如下：
一种基于新型计量光栅的位移测量系统，该系统包括光源、聚光镜，锥形指示光栅，锥形标尺光栅，七个光敏元件、三个平均值模块、整形电路、细分变向模块、可逆计数模块和数字显示模块；
所述的光源提供的入射光通过聚光镜平行照射在由锥形标尺光栅和锥形指示光栅组成光栅副的刻线重合处，锥形标尺光栅和锥形指示光栅的光栅节距均为P，锥形标尺光栅和锥形指示光栅之间的距离为0.05mm或0.1mm，所述的锥形标尺光栅的出射光的一侧设置七个光敏元件；七个光敏元件接收光栅透过的光能量，七个光敏元件具体为第一光敏元件、第二光敏元件、第三光敏元件、第四光敏元件、第五光敏元件、第六光敏元件、第七光敏元件，七个光敏元件设置在同一平面上，且其所在平面与锥形标尺光栅平行，相邻光敏元件位置相差1/4个莫尔条纹周期，其中第四光敏元件放置在锥顶角所在的位置上，其中第一光敏元件和第七光敏元件与第一平均值模块的输入端连接，第二光敏元件和第六光敏元件与第二平均值模块的输入端连接，其中第三光敏元件和第五光敏元件与第三平均值模块的输入端连接，第一平均值模块的输出端、第二平均值模块的输出端、第四光敏元件、第三平均值模块的输出端与整形电路连接，整形电路的输出端通过细分变向模块接可逆计数模块，可逆计数模块输出端接数字显示模块；
所述的锥形指示光栅为用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的顶角为θ的锥形条纹，形成连续的透光区和不透光区；其中90°＜θ＜180°；
所述的锥形标尺光栅的锥形条纹与锥形指示光栅的锥形条纹关于中心对称。
一种基于新型计量光栅的位移测量系统的测量方法，该方法具体包括以下步骤：
沿水平方法移动锥形指示光栅，光敏元件观测到莫尔条纹的光强变化，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个周期宽度B，且满足关系式：B＝P/sin(π-θ)；七个光敏元件输出七个相位相差90度的近似正弦的信号，其中第一光敏元件为-Acost，第二光敏元件为-Asint，第三光敏元件为Acost，第四光敏元件为Asint，第五光敏元件为Acost，第六光敏元件为-Asint，第七光敏元件为-Acost；七个光敏元件输出通过三个平均值模块后，第四光敏元件信号不变，为a:Asint；第三光敏元件的取样信号与第五光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号b：Acost；第二光敏元件的取样信号与第六光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号c：-Asint；第一光敏元件的取样信号与第七光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号d：-Acost；四个正弦信号a、b、c、d经过整形电路以后输出为相位互差90度的方波脉冲信号，于是莫尔条纹变化一个周期，在计数器中就得到四个脉冲；四个脉冲信号依次通过细分判向模块、可逆计数模块和数字显示模块输出指示光栅和标尺光栅相对移动的实际位移。
莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。
放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ越大，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了1/sin(π-θ)倍。
计量光栅的光学放大作用和锥形栅线的顶角θ有关，而与两光栅的安装间隙无关。
该发明的位移测量原理、细分和辨向原理如下：
位移测量原理：莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm(也就是移过了100×x条光栅刻线)，则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可获得实际位移。
细分原理：在光栅的一侧用光源照明两光栅，在光栅的另一侧用七个光敏元件接收光栅透过的光能量，中间的一个光敏元件放置在锥顶角所在的位置上，其它六个位置互相相差1/4个莫尔条纹周期上下对称放置。在通过平均电路模块消除部分误差后，实现四倍频细分。
辨向原理：通过莫尔条纹的移动方向实现位移的辨向。当指示光栅沿x轴(例如水平方向)自右向左移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将以栅线的锥底向锥顶不断地集中，且顺序掠过光敏元件。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、相对于传统的直线槽形光栅线，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，需要使两者的栅线保持很小的夹角φ，本发明采用的光栅副中主光栅与指示光栅线均为锥形槽，即一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的顶角为θ锥形条纹，形成连续的透光区和不透光区。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者的栅线保持平行即可，因此降低了光栅副的加工和装配难度。
2、在光栅的另一侧用七个光电接收器件接收光栅透过的光能量，中间的一个光电接收器件放置在锥顶角所在的位置上，其它六个位置互相相差1/4个莫尔条纹周期上下对称放置。在通过平均电路模块消除部分误差后实现四倍频细分，提高了测量的精度。
附图说明
图1锥形槽计量光栅副中标尺光栅设计图；
图2锥形槽计量光栅副中指示光栅设计图；
图3光栅副中指示光栅与标尺光栅组合方式；
图4为基于锥形光栅的位移测量系统组成图。
具体实施方式
本发明是在现有的直线槽形计量光栅的位移测量系统之外，提供一种基于非直线槽形计量光栅的位移测量方法及系统。具体的实施方式如下：
如图3、图4所示，一种基于新型计量光栅的位移测量系统，该系统包括光源1、聚光镜2，锥形指示光栅3，锥形标尺光栅4，七个光敏元件、三个平均值模块、整形电路、细分变向模块、可逆计数模块和数字显示模块；
所述的光源1提供的入射光通过聚光镜2平行照射在由锥形标尺光栅4和锥形指示光栅3组成光栅副的刻线重合处，锥形标尺光栅和锥形指示光栅的光栅节距均为P，锥形标尺光栅和锥形指示光栅之间的距离为0.05mm或0.1mm，所述的锥形标尺光栅的出射光的一侧设置七个光敏元件；七个光敏元件接收光栅透过的光能量，七个光敏元件具体为第一光敏元件5、第二光敏元件6、第三光敏元件7、第四光敏元件8、第五光敏元件9、第六光敏元件10、第七光敏元件11，七个光敏元件设置在同一平面上，且其所在平面与锥形标尺光栅平行，相邻光敏元件位置相差1/4个莫尔条纹周期，其中第四光敏元件放置在锥顶角所在的位置上，其中第一光敏元件和第七光敏元件与第一平均值模块的输入端连接，第二光敏元件和第六光敏元件与第二平均值模块的输入端连接，其中第三光敏元件和第五光敏元件与第三平均值模块的输入端连接，第一平均值模块的输出端、第二平均值模块的输出端、第四光敏元件、第三平均值模块的输出端与整形电路连接，整形电路的输出端通过细分变向模块接可逆计数模块，可逆计数模块输出端接数字显示模块；
如图2所示，所述的锥形指示光栅为用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的顶角为θ的锥形条纹，形成连续的透光区和不透光区；其中90°＜θ＜180°；
如图1所示，所述的锥形标尺光栅的锥形条纹与锥形指示光栅的锥形条纹关于中心对称。
光源1提供的入射光通过聚光镜2平行照射在锥形指示光栅3和锥形标尺光栅(主光栅)4的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。这种亮带和暗带形成明暗相间莫尔条纹是周期性函数。莫尔条纹是由锥形光栅的大量刻线共同形成的，对锥形光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除锥形光栅刻线不均匀引起的误差。
在光栅的另一侧的光敏元件5-11接收光栅透过的光能量，光敏元件8放置在锥顶角所在的位置上，光敏元件5、6、7、8、9、10和11的位置互相相差1/4个莫尔条纹周期上下对称放置。
当锥形指示光栅3沿X轴(例如水平方向)自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将从栅线的锥顶向锥底不断地扩散，且顺序如(1)所示掠过光敏元件5-11。
5←6←7←8→9→10→11 (1)
当指示光栅沿X轴(例如水平方向)自右向左移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将以栅线的锥底向锥顶不断地集中，且顺序如(2)所示掠过光敏元件5-11。
5→6→7→8←9←10←11 (2)
光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个周期宽度B，如图3所示。且满足关系式：B＝P/sin(π-θ)。计量光栅的光学放大作用随着指示光栅与标尺光栅的锥形刻线夹角θ而改变。θ越大，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了1/sin(π-θ)倍，而与两光栅的安装间隙无关。
当指示光栅移动一个节距时，莫尔条纹变化一个周期，由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。7个光敏元件输出7个相位相差90度的近似正弦的信号，光敏元件5为-Acost，光敏元件6为-Asint，光敏元件7为Acost，光敏元件8为Asint，光敏元件9为Acost，光敏元件10为-Asint，光敏元件11为-Acost。
这七个信号称为取样信号，送到后续的方块电路中去。首先经过平均值模块，其中：
第四光敏元件8信号不变，为a:Asint；
第三光敏元件7的取样信号(Acost)与第五光敏元件9的取样信号(Acost)求平均，获得消除部分误差的信号b：Acost；
第二光敏元件6的取样信号(-Asint)与第六光敏元件10的取样信号(-Asint)求平均，获得消除部分误差的信号c：-Asint；
第一光敏元件5的取样信号(-Acost)与第七光敏元件11的取样信号(-Acost)求平均，获得消除部分误差的信号d：-Acost。
四个正弦信号a,b,c和d经过整形电路以后输出为相位互差90度的方波脉冲信号，于是莫尔条纹变化一个周期，在计数器中就得到四个脉冲，每个脉冲就反映1/4莫尔条纹周期的长度，使系统的分辨能力提高了4倍。例如，采用L线/mm光栅时，若光栅移动了x mm(也就是移过了L×x条光栅刻线)，计数器中就得到4×L×x个脉冲，将此莫尔条纹产生的电脉冲信号通过计数器计数，就可获得实际位移。
计数器采用可逆计数器是为了判断指示光栅运动的方向。当锥形指示光栅3沿X轴(例如水平方向)自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将从栅线的锥顶向锥底不断地扩散，且顺序如(1)所示掠过光敏元件5-11时，可逆计数器进行加法运算。当指示光栅沿X轴(例如水平方向)自右向左移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将以栅线的锥底向锥顶不断地集中，且顺序如(2)所示掠过光敏元件5-11时，可逆计数器进行加法运算。最后通过数字显示和输出指示光栅和标尺光栅相对移动的实际位移。
Claims (2)
1.一种基于新型计量光栅的位移测量系统，其特征在于：该系统包括光源、聚光镜，锥形指示光栅，锥形标尺光栅，七个光敏元件、三个平均值模块、整形电路、细分变向模块、可逆计数模块和数字显示模块；
所述的光源提供的入射光通过聚光镜平行照射在由锥形标尺光栅和锥形指示光栅组成光栅副的刻线重合处，锥形标尺光栅和锥形指示光栅的光栅节距均为P，锥形标尺光栅和锥形指示光栅之间的距离为0.05mm或0.1mm，所述的锥形标尺光栅的出射光的一侧设置七个光敏元件；七个光敏元件接收光栅透过的光能量，七个光敏元件具体为第一光敏元件、第二光敏元件、第三光敏元件、第四光敏元件、第五光敏元件、第六光敏元件、第七光敏元件，七个光敏元件设置在同一平面上，且其所在平面与锥形标尺光栅平行，相邻光敏元件位置相差1/4个莫尔条纹周期，其中第四光敏元件放置在锥顶角所在的位置上，其中第一光敏元件和第七光敏元件与第一平均值模块的输入端连接，第二光敏元件和第六光敏元件与第二平均值模块的输入端连接，其中第三光敏元件和第五光敏元件与第三平均值模块的输入端连接，第一平均值模块的输出端、第二平均值模块的输出端、第四光敏元件、第三平均值模块的输出端与整形电路连接，整形电路的输出端通过细分变向模块接可逆计数模块，可逆计数模块输出端接数字显示模块；
所述的锥形指示光栅为用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的顶角为θ的锥形条纹，形成连续的透光区和不透光区；其中90°＜θ＜180°；
所述的锥形标尺光栅的锥形条纹与锥形指示光栅的锥形条纹关于中心对称。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型计量光栅的位移测量系统的测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
沿水平方法移动锥形指示光栅，光敏元件观测到莫尔条纹的光强变化，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个周期宽度B，且满足关系式：B＝P/sin(π-θ)；七个光敏元件输出七个相位相差90度的近似正弦的信号，其中第一光敏元件为-Acost，第二光敏元件为-Asint，第三光敏元件为Acost，第四光敏元件为Asint，第五光敏元件为Acost，第六光敏元件为-Asint，第七光敏元件为-Acost；七个光敏元件输出通过三个平均值模块后，第四光敏元件信号不变，为a:Asint；第三光敏元件的取样信号与第五光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号b：Acost；第二光敏元件的取样信号与第六光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号c：-Asint；第一光敏元件的取样信号与第七光敏元件的取样信号求平均，获得消除部分误差的信号d：-Acost；四个正弦信号a、b、c、d经过整形电路以后输出为相位互差90度的方波脉冲信号，于是莫尔条纹变化一个周期，在计数器中就得到四个脉冲；四个脉冲信号依次通过细分判向模块、可逆计数模块和数字显示模块输出指示光栅和标尺光栅相对移动的实际位移。
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