CN108151653A - 一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，属于光学精密测量技术领域。本发明包括步骤：首先将光栅输出的两个正交的正余弦信号经过处理器采样，得到光栅每移动一个栅距的莫尔条纹信号，表现为一个周期的正余弦信号，并建立数学模型，利用采集到的数据与模型参数的内在关系，求解实际信号当中的位置信息样本点幅值偏差系数、直流分量、相位偏差，实时查看信号质量是否符合细分要求，如果不满足，则对上述误差进行实时补偿，得到修正后的莫尔条纹信号。本发明用于需要高质量莫尔条纹信号的场合，如圆光栅测角系统，本发明可以提供满足高倍数细分要求的莫尔条纹信号，并提高光栅测量系统的精度和分辨率。

Description

一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法

技术领域

本发明涉及一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，尤其适合于精密的角位移和直线位移的测量传感器或系统，属于光学精密测量技术领域。

背景技术

目前精密位移测量领域90％以上采用的是光栅技术，其测量基准是按空间近均分的周期性光栅刻线，通过光学衍射产生明暗条纹，进而生成近似正弦信号，一个周期信号对应一格栅线，对周期信号计数，可获得位移量。精密测量要求能够测出1μm～0.1μm的直线量和1″～0.1″的角度量，这样的精度和分辨力靠光栅传感器本身的刻划精度是难以实现的。因此，必须对传感器的原始莫尔条纹信号做细分处理，采用细分的方法来提高测量系统的精度和分辨力。

现有的细分方法主要有光学细分法、机械细分法、电子细分法和软件细分法等方法。其中光学细分法和机械细分法已很少采用，电子细分法和微处理器软件细分法具有较高的细分倍数、容易实现测量及数据处理的自动化和智能化、适用于动态测量等特点，得到广泛应用。

不过，由于受光源稳定性，光电转换精度，机械加工精度和信号传输等因素的影响，实际一对正弦和余弦信号，往往存在直流误差，幅值误差，相位误差以及非正弦性。在这些误差因素的干扰下，任何一个细分方法，纵使细分倍数再高，也很难提高实际测量精度。所以，有必要研究新的方法，用于消除这些误差，以获取高质量的莫尔条纹信号。

发明内容

本发明提供了一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，修正方法从原理上考虑正弦性、正交性和一致性等特征，在对光栅莫尔条纹信号进行高倍细分之前，将这些特征值修正到高倍细分所需要求指标，以用于获取高质量的莫尔条纹信号。

本发明的技术方案是：一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，首先将光栅输出的两个正交的正余弦信号经过处理器采样，得到光栅每移动一个栅距的莫尔条纹信号，表现为一个周期的正余弦信号，并建立数学模型，利用采集到的数据与模型参数的内在关系，求解实际信号当中的位置信息样本点幅值偏差系数、直流分量、相位偏差，实时查看信号质量是否符合细分要求，如果不满足，则对上述误差进行实时补偿，得到修正后的莫尔条纹信号。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、首先利用莫尔条纹信号采集装置对光栅输出的正余弦信号进行采样，得到一组具有不理想信号成分的位置信息样本点(u_1m,u_2m)；

Step2、根据位置信息样本点建立数学模型；

为得到实际信号当中的位置信息样本点是幅值偏差系数、直流分量、相位偏差等不理想的信号成分，可以进行如下分析：

理想情况下，认为被细分处理的莫尔条纹信号是2个相互正交等幅值信号，如式所示：

但实际上莫尔条纹信号因存在不理想的信号成分而表现为下式的关系

式中，K为放大系数，θ为角度位置，p和q为位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量，为位置信息样本点相位偏差，G为位置信息样本点幅值偏差系数。以上这些参数均为要求解的系数，而u₁、u₂是被认为理想情况下利用莫尔条纹信号采集装置对光栅输出的正余弦信号进行采样得到的一组(n个)位置信息样本点，然而实际上因存在不理想的信号成分这组位置信息样本点是不存在的，相反只能得到u_1m和u_2m这组存在不理想信号成分的位置信息样本点；

根据上面的u₁、u₂、u_1m、u_2m公式可以得到公式(1)：

再根据公式(1)得到模型公式(2)；

Step3、位置信息样本点(u_1m,u_2m)满足模型公式(2)，用最小二乘法拟合出模型便可得到椭圆方程系数A～E；其中，G为位置信息样本点幅值偏差系数：

Step4、根据公式(3)得到如下计算式(4)，根据公式(4)计算出实际信号当中的位置信息样本点的幅值偏差系数G、位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量直流分量p和q、位置信息样本点的相位偏差

Step5、判断信号质量，如果p、q、G小于或等于信号质量阈值，目前采样的信号质量满足后续细分处理要求，则直接进行细分；否则，认为信号质量不好，转到Step6：其中信号质量阈值分别取0.6％、1.2％、0.7°，即p、q≤0.6％，G≤1.2％，

Step6、进行信号修正，利用公式(5)进行修正计算；

对补偿后的莫尔条纹信号循环执行Step1-5直到信号质量满足后续细分处理要求，最终获得修正后的莫尔条纹信号(u_1d,u_2d)。

本发明利用理想莫尔条纹信号来修正实际莫尔条纹信号，根据Mcilraith的研究结论，将莫尔条纹的一个正弦周期细分为1000等分以上，要求其直流分量≤0.6％，相位偏差≤0.7°，正余弦信号幅值偏差≤1.2％。使得修正的正余弦信号满足上述要求，进而实现高倍细分。

本发明的有益效果是：

1、本发明能高精度内插细分，减小细分误差，进而提高整体测量精度；

3、本发明能获得高质量的莫尔条纹信号，减小莫尔条纹信号带到细分阶段的误差含量，从而提高测量系统细分精度和分辨力。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明具体实施方式低质量莫尔条纹信号的李沙育图；

图3是本发明具体实施方式补偿后高质量莫尔条纹信号的李沙育图。

具体实施方式

实施例1：如图1-3所示，一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、首先利用莫尔条纹信号采集装置对光栅输出的正余弦信号进行采样，得到一组具有不理想信号成分的位置信息样本点(u_1m,u_2m)；

Step2、根据位置信息样本点建立数学模型；

为得到实际信号当中的位置信息样本点是幅值偏差系数、直流分量、相位偏差等不理想的信号成分，可以进行如下分析：

理想情况下，认为被细分处理的莫尔条纹信号是2个相互正交等幅值信号，如式所示：

但实际上莫尔条纹信号因存在不理想的信号成分而表现为下式的关系

式中，K为放大系数，θ为角度位置，p和q为位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量，为位置信息样本点相位偏差，G为位置信息样本点幅值偏差系数。以上这些参数均为要求解的系数，而u₁、u₂是被认为理想情况下利用莫尔条纹信号采集装置对光栅输出的正余弦信号进行采样得到的一组(n个)位置信息样本点，然而实际上因存在不理想的信号成分这组位置信息样本点是不存在的，相反只能得到u_1m和u_2m这组存在不理想信号成分的位置信息样本点；

根据上面的u₁、u₂、u_1m、u_2m公式可以得到公式(1)：

再根据公式(1)得到模型公式(2)；

Step3、位置信息样本点(u_1m,u_2m)满足模型公式(2)，用最小二乘法拟合出模型便可得到椭圆方程系数A～E；其中，G为位置信息样本点幅值偏差系数：

Step4、根据公式(3)得到如下计算式(4)，根据公式(4)计算出实际信号当中的位置信息样本点的幅值偏差系数G、位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量直流分量p和q、位置信息样本点的相位偏差

如表1所示为计算出的p、q、G：

表1

Step5、判断信号质量；表1所示数值中，p、q≤0.6％，G＞1.2％，信号质量不好，转到Step6：

Step6、进行信号修正，利用公式(5)进行修正计算；

对补偿后的莫尔条纹信号循环执行Step1-5直到信号质量满足后续细分处理要求，最终获得修正后的莫尔条纹信号(u_1d,u_2d)。

然后回到具体实施方式步骤Step1对修正后的信号重新采样，直到检测的信号满足高倍数细分要求，通常补偿一次就可以满足细分要求。该实施示例补偿一次后，直流分量p、q，相位偏差幅值偏差G的成分大小检测结果如下表2，绘制其李沙育s图形如图3，图2为步骤Step1中采集到的位置信息样本点(u_1m,u_2m)输入示波器得到的实际李沙育s图形，从图3中可以看出补偿后的信号接近一个圆，说明误差得到了校正补偿：

表2

补偿后的莫尔条纹信号的直流分量p和q，相位偏差幅值偏差G的成分大小均满足高倍细分要求。证明该方法有效。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，其特征在于：首先将光栅输出的两个正交的正余弦信号经过处理器采样，得到光栅每移动一个栅距的莫尔条纹信号，表现为一个周期的正余弦信号，并建立数学模型，利用采集到的数据与模型参数的内在关系，求解实际信号当中的位置信息样本点幅值偏差系数、直流分量、相位偏差，实时查看信号质量是否符合细分要求，如果不满足，则对上述误差进行实时补偿，得到修正后的莫尔条纹信号。

2.根据权利要求1所述的光栅莫尔条纹信号误差检测和修正方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

Step1、首先利用莫尔条纹信号采集装置对光栅输出的正余弦信号进行采样，得到一组具有不理想信号成分的位置信息样本点(u_1m,u_2m)；

Step2、根据位置信息样本点建立数学模型；根据公式(1)得到模型公式(2)；

其中，K为放大系数，p和q为位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量，为位置信息样本点相位偏差；

Step3、位置信息样本点(u_1m,u_2m)满足模型公式(2)，用最小二乘法拟合出模型便可得到椭圆方程系数A～E；其中，G为位置信息样本点幅值偏差系数：

Step4、根据公式(3)得到如下计算式(4)，根据公式(4)计算出实际信号当中的位置信息样本点的幅值偏差系数G、位置信息样本点两路正余弦信号的直流分量直流分量p和q、位置信息样本点的相位偏差

Step5、判断信号质量，如果p、q、G小于或等于信号质量阈值，目前采样的信号质量满足后续细分处理要求，则直接进行细分；否则，认为信号质量不好，转到Step6：其中信号质量阈值分别取0.6％、1.2％、0.7°，即p、q≤0.6％，G≤1.2％，

Step6、进行信号修正，利用公式(5)进行修正计算；

对补偿后的莫尔条纹信号循环执行Step1-5直到信号质量满足后续细分处理要求，最终获得修正后的莫尔条纹信号(u_1d,u_2d)。