CN108291801A - 用于cmm接触探针的传感器信号偏移补偿系统 - Google Patents
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Abstract
接触探针电路包括具有响应于接触探针触针位移的传感器信号的位移传感器、偏移补偿控制器和差分放大器。偏移补偿控制器提供变化的偏移补偿信号以补偿传感器信号的静止状态信号分量中的漂移。差分放大器输入偏移补偿信号和传感器信号并放大它们之间的差值以提供偏移补偿位移信号，其被输出到当触针接触工件时提供触摸信号的触摸触发信号生成电路，并且还被输出到偏移补偿控制器。偏移补偿控制器部分提供反馈回路，其输入偏移补偿位移信号并将响应低通滤波偏移补偿信号输出给差分放大器，以便提供偏移补偿位移信号。
Description
技术领域
本公开涉及精密度量，更具体地涉及用于坐标测量系统中使用的接触探针的电路构造。
背景技术
坐标测量系统例如一维或三维测量系统(比如坐标测量机(CMM))可以在接触探针的触针接触工件时通过使用接触探针来触发坐标测量仪的读取来获得所检查的工件的测量结果。美国专利第5,526,576号(’576专利)中描述的一种示例性现有技术CMM(其全部内容通过引用并入本文)包括用于接触工件的接触探针、包括用于移动接触探针的多个驱动器的移动机构、以及包括与在接触探针头中或从接触探针头处理信号有关的特征的相关电子系统。
接触探针使用各种类型的敏感位移传感器来感测接触探针触针的偏转，以指示其已接触工件。接触探针的一个问题是必须动尽可能小的信号变化来感测尽可能小的偏转。然而，即使当触针未接触工件时，即当触针和/或接触探针处于静止状态时(与触针正主动接触工件的状态相反)，由于多种原因，位移传感器信号可能漂移或改变。例如，由于温度或湿度对传感器、相关电路或周围结构的影响的变化；由于接触探针的取向变化(例如由于触针或其悬架上的重力效应)；由于机械滞后效应(例如当触针被表面偏转然后返回到静止状态时)；或由于振动效应等，传感器信号可能在静止状态中漂移或改变。必须采取措施确保这种传感器信号漂移或改变不混淆和/或不干扰识别希望的小信号变化，这些变化表明由工件接触引起的触针偏转。
工件接触通常导致工件接触信号以比静止状态传感器信号漂移更快的速率变化，这是由于如上所述的各种来源。因此，用于区分工件接触信号与静止状态传感器信号漂移的最常见的现有技术方法是对位移传感器信号使用高通滤波以将更快变化的工件接触信号分量与更慢变化的静止状态信号漂移分量隔离。例如，在先前并入的该’576专利中描述了包括高通滤波的位移传感器信号处理的一个示例性方法。
在美国专利第6,487,785号(’785专利)中公开了用于区分工件接触信号与静止状态传感器信号漂移的另一种现有技术方法，该专利通过引用整体并入本文。该’785专利公开了使用增量校正器来改变控制“触摸指示”切换阈值的参考值。增量校正器使用一系列小增量校正，当触摸元件静止时(即在静止状态期间)，系统参数的测量(例如位移传感器输出)控制该增量校正。
已知用于区分工件接触信号与由温度引起的一种特定类型的静止状态传感器信号漂移的另一种现有技术方法。该方法包括在接触探针中提供对应于位移传感器的“虚拟”传感器和/或相关电路。虚拟传感器与位移隔离。在这种配置中，虚拟传感器可能呈现由于某些原因(例如温度变化)导致的传感器信号漂移，其近似于由于相同原因导致的静止状态传感器信号漂移。虚拟传感器信号变化因此可以用于补偿一些静止状态位移传感器信号变化。然而，要理解的是，该方法增加了接触探针组件的复杂性，并且不适用于具有实际意义的多种原因或类型的静止状态传感器信号漂移。
因此，期望改进用于将更快变化的工件接触信号分量与更慢变化的静止状态信号漂移分量隔离的各种现有方法，包括上述方法。例如，改进位移信号隔离或辨别、电路响应稳定性、电路响应时间、电路经济性、易用性和理解中的任何或全部、以及增加用于各种类型和型号的接触探针和位移传感器的解决方案的通用性，将是可取的。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍概念的选择，以允许更加快速地识别和理解下面在具体实施方式中进一步描述的各种公开的特征和原理。因此，本发明内容仅旨在作为简要概述，并非旨在隔离所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。
先前指出的用于将更快变化的工件接触信号分量与更慢变化的静止状态信号漂移分量隔离的现有技术方法(包括上述方法)已经被确定为具有各种不合需要的方面，至少对于一些应用而言。
例如，包括高通滤波(比如在’576专利中公开的)的现有技术方法已被发现在某些应用中是不希望的，因为它们施加在位移传感器信号的放大上的限制。如前所述，为了制造敏感的接触探针，必须从尽可能小的位移传感器信号变化中快速感测尽可能小的触针偏转。因此，通常希望使用高增益放大器来放大来自位移传感器的信号用于检测。然而，对于接触探针中的各种类型的位移传感器和/或它们的实施方式，由位移传感器输出的静止状态信号分量的变化(例如上面概述的各种传感器信号“漂移”)常常可能超过由于所允许的触针偏转量引起的位移传感器信号的变化。这意味着由于偏转导致的位移传感器信号分量的期望的高增益放大可能放大相对较大的静止状态传感器信号分量变化以达到电源的限制，这是不可接受的。因此，使用高增益放大(否则由于以上概述的原因而是合乎需要的)不适用于各种现有技术方法，这些方法包括高通滤波以将更快变化的工件接触信号分量与更慢变化的静止状态信号漂移分量隔离。
包括调整触摸触发信号切换阈值以补偿由一个或多个位移传感器输出的静止状态信号或静止状态信号的组合的变化的现有技术方法也已被发现在各种应用中是不期望的。例如，在该’785专利中公开了一种这样的方法。这种方法的一个问题是，在各种接触探针中，可能需要组合多个位移传感器信号以便提供与触摸触发信号切换阈值进行比较的组合信号。应该理解的是，不同位移传感器的各个静止状态信号分量的变化实际上可能与实际触针偏转和单个位移传感器输出的信号之间的关系的变化相关联。然而，由不同位移传感器输出的单个静止状态信号分量的这种变化可能相互作用，以在产生用于与触摸触发信号切换阈值进行比较的组合信号的处理中变得不可预知地丢失或放大。这可能会导致实际触针位移，从而导致触发信号变为不对称或以其几何形式变化。这种效果补偿了不希望的组合触发信号的切换电平，作为补偿各种接触探针实施方式中的各个位移传感器静止状态信号中的变化的手段。该’785专利公开了使用单个位移传感器的接触探针的一个实施例，其避免了上述问题。然而，使用单个位移传感器来响应触针位移的多个轴引入了单独的一组问题，并且没有发现广泛的应用。另外，在该’785专利中公开的方法，其中增量校正器使用当触摸元件静止时由接触探针的静止状态信号控制的一系列小增量校正，被公开为适于提供变化或应用相当缓慢的校正。例如，该’785专利陈述，“在接触引脚2返回到其静止位置之后，逻辑部件23的数字计数器的计数器状态增加或减少1，并以至少一分钟的缓慢周期计数步骤。”)。相反，在各种实施方式中，位移传感器的静止状态信号的变化可以被更快地校正，这可能是期望的。例如，当接触探针的方向改变时，其中的位移传感器的静止状态信号可以立即改变(例如由于改变的重力方向改变触针偏转的方向或量)。从检测吞吐量的角度来看，延迟后续的接触探针测量操作并等待缓慢应用补偿以改变位移传感器的静止状态信号将是非常不期望的。
为了克服前述问题中的一些或全部并且提供其他期望的特征，本文公开了改进的接触探针电路的各种实施方式。接触探针电路输出有助于确定触摸触发信号的信号，并被提供用于接触探针以与坐标测量系统结合使用。该接触探针电路包括位移传感器、偏移补偿控制器部分和差分放大器。位移传感器配置为输出响应于附接到接触探针的触针的位移的传感器信号。偏移补偿控制器部分配置为提供变化的偏移补偿信号，其用于补偿由位移传感器输出的静止状态信号分量的变化。应该理解的是，补偿的静止状态信号分量可以是位移传感器在静止状态期间输出的唯一信号分量，但是该信号分量还与触针接触工件时由触针偏转产生的位移传感器信号分量一起持续，因此在接触探针的“非静止”状态操作期间静止状态信号分量的补偿应该继续。因此，差分放大器被连接以输入偏移补偿信号和传感器信号并且放大输入信号之间的差值，并且输出放大的差值作为偏移补偿位移信号。偏移补偿位移信号可被输出到触发信号确定处理电路以有助于确定用于接触探针的触摸触发信号，并且还输入到偏移补偿控制器部分用于调整偏移补偿信号。偏移补偿控制器部分配置为提供反馈回路，其输入偏移补偿位移信号并响应该输入以生成输入到差分放大器的低通滤波偏移补偿信号，以补偿由于静止状态信号分量导致的传感器信号中的偏移。
在各种实施方式中，接触探针电路包括名义上以M位分辨率操作的模拟数字转换器(A/D转换器)，并且差分放大器包括模拟放大器，其配置为将偏移补偿位移信号输出到A/D转换器，A/D转换器配置为将偏移补偿位移信号转换为相应数字偏移补偿位移信号，其被输出到触发信号确定处理电路，并且还被输入到偏移补偿控制器部分用于调整偏移补偿信号。在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分包括名义上以N位分辨率操作的数字模拟转换器(D/A转换器)，并且偏移补偿控制器部分包括数字电路，其配置为输入数字偏移补偿位移信号并且确定输入到D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值，并且D/A转换器配置为将低通滤波数字偏移补偿信号转换为输入到差分放大器的相应模拟偏移补偿信号。在各种实施方式中，N比M大至少2位。在各种实施方式中，M至少为12。在各种实施方式中，M至少为14，并且N至少与M一样大。在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分配置为以第一采样率输入数字偏移补偿位移信号并且以第二采样率输出低通滤波数字偏移补偿信号，所述第二采样率比所述第一采样率慢至少10倍。在各种实施方式中，第二采样率比第一采样率慢至少100倍。在各种实施方式中，第一采样率至少为50KHz。在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分包括：数字低通滤波器配置，其配置为输入所述数字偏移补偿位移信号并输出低通滤波器数字输出信号；和数字校正反馈控制器，其配置为输入低通滤波器数字输出信号并确定输入到D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值。在各种实施方式中，数字校正反馈控制器配置为响应于低通滤波器数字输出信号的变化而作为比例积分控制器操作。
在各种实施方式中，差分放大器配置为提供具有第一截止频率的相对较高的带宽，并且偏移补偿控制器部分配置为生成对应于具有第二截止频率的相对较低的带宽的低通滤波偏移补偿信号，其中第二截止频率比第一截止频率低至少1000倍。在各种实施方式中，第二截止频率比第一截止频率低至少5000倍。在各种实施方式中，第一截止频率至少为5000Hz，第二截止频率至多为5Hz。在各种实施方式中，第二截止频率至少为0.1Hz。在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分包括：低通滤波器配置，其配置为输入偏移补偿位移信号并输出具有第二截止频率的低通滤波器输出信号；和校正反馈控制器，其配置为输入低通滤波器输出信号，并且确定被生成并输入到差分放大器的低通滤波偏移补偿信号的电平。在各种实施方式中，校正反馈控制器配置为响应于低通滤波器输出信号的变化而作为比例积分控制器操作。在各种实施方式中，接触探针电路包括名义上以M位分辨率操作的模拟数字转换器(A/D转换器)，差分放大器包括模拟放大器，其配置为将偏移补偿位移信号输出到A/D转换器，A/D转换器配置为将偏移补偿位移信号转换为相应数字偏移补偿位移信号，其被输出到触发信号确定处理电路，并且还被输入到偏移补偿控制器部分用于调整偏移补偿信号，偏移补偿控制器部分包括名义上以N位分辨率操作的数字模拟转换器(D/A转换器)，并且偏移补偿控制器部分包括数字电路，其配置为输入数字偏移补偿位移信号并且确定具有第二截止频率并被输入到D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值，并且D/A转换器配置为将低通滤波数字偏移补偿信号转换为具有第二截止频率并被输入到差分放大器的相应模拟低通滤波偏移补偿信号。
在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分还配置为保持在触发信号确定处理电路输出与触针触摸工件对应的触摸触发信号的时间期间输入到差分放大器的低通滤波偏移补偿信号基本恒定。在一些这样的实施方式中，偏移补偿控制器部分配置为接收当触发信号确定处理电路输出与触针触摸工件相对应的触摸触发信号时提供的中断信号，并且响应于该中断信号来保持输入到差分放大器的低通滤波偏移补偿信号基本恒定。
在各种实施方式中，接触探针电路包括在接触探针的壳体中，并且触发信号确定处理电路的至少一部分位于接触探针的壳体外部。在其他实施方式中，与多个位移传感器对应的多个接触探针电路包括在接触探针的壳体中，并且触发信号确定处理电路位于接触探针的壳体内部，并且接触探针配置为输出与触针触摸工件相对应的触摸触发信号。在各种实施方式中，位移传感器可以包括安装在用于接触探针中的触针悬架装置中的弯曲元件上的硅应变计。然而，本文公开的接触探针电路及相关概念和方法可应用于适用于接触探针电路的各种其他类型的位移传感器。
附图说明
图1是示出具有触针悬架和传感器配置的一个实施方式的接触探针的横截面的局部示意图，其可以与本文公开的各种接触探针电路配置结合使用；
图2是示出可用于图1所示的接触探针的位移传感器配置的一个实施方式的部分示意图；
图3是示出耦接到坐标测量系统的接触探针电子系统的一个实施方式的各种元件的框图，包括根据本文公开的原理配置的接触探针电路的一个实施方式；以及
图4是更详细地示出了图3中所示的接触探针电路的一个实施例的某些方面的框图。
具体实施方式
图1是示出了接触探针100的横截面的部分示意图，示出了包括位移传感器配置110和触针悬架配置180的触针悬架和感测组件的一个示例性实施方式。接触探针100的各种机械特征可以通常根据接触探针设计领域的技术人员已知的原理来提供，因此在此仅简要描述，以便为使用本文公开的各种接触探针电路配置的使用提供一个示例性背景。
触针悬架配置180支撑移动组件111。移动组件111又可支撑可互换的触针模块190，如在图1中所示的示例中示意性地示出并在下面更详细地描述。如下面更详细地描述，位移传感器配置110可以连接到本文公开的各种接触探针电路配置(例如，如图1中由接触探针电路元件200表示)。
在图1所示的实施例中，触针悬架配置180包括下弯曲元件121，其可以结合到和/或夹持在下支撑元件181和间隔元件184之间(例如通过使用如在图1中示意性表示的各种夹紧或组装紧固件，或通过已知的结合技术等)。它可以进一步包括上弯曲元件121’，其可以类似地结合到和/或夹持在上支撑元件183和间隔元件184之间。触针悬架配置180可以通过紧固件等固定到接触探针壳体102的一部分，如图1中由代表性紧固件104示意性地表示。
在图1所示的例子中，移动组件111从上和下弯曲元件121和121’悬挂。在所示的具体实施方式中，移动组件111包括一叠元件，包括上夹紧环113、间隔元件114、下夹紧环116以及夹紧和捕获元件117。螺纹夹紧销112用于对齐并且沿着轴向方向将一叠元件夹紧在一起，其中上弯曲元件121’夹持在上夹紧环113和间隔元件114之间，下弯曲元件121夹持在下夹紧环116和间隔元件114之间。下夹紧和捕获元件117可以进一步包括磁体和已知类型的运动学安装装置192的其它特征，以与可互换触针模块190配合并支撑其。根据已知的方法(例如触针悬架配置180的固定表面和/或壳体端板102E等)，运动组件111的行程可以受限于其与接触探针的各种固定表面之间的有限间隙。限制移动组件111的行程防止弯曲元件121和121’以及应变仪120的非弹性偏转和损坏。
示意性示出的可互换触针模块190可以是已知类型的，包括触针106，该触针附接到超行程机构193，其根据已知的接触探针设计原理可以偏转并且可重复地自身复位，以防止因意想不到的力量而损坏触针。可互换触针模块190可以进一步包括磁体和已知类型的运动学安装装置192的其他特征，以便与移动组件111的下夹紧和捕捉元件117上的对应特征配合。
应该理解的是，触针悬架配置180的元件配置为使得弯曲元件121和121’的弯曲部分(例如，如图2中的弯曲元件121上的弯曲部分FP最佳示出)未被支撑并且在图1所示的弯曲间隙区域FG附近自由弯曲。由于触针通过移动组件111连接到弯曲元件和/或弯曲部分的中心区域，所以弯曲部分可以由于在其接触部分108接触工件时偏转触针106的力而发生应变和/或位移。合适的位移传感器120(例如应变仪位移传感器，比如图2中最佳示出的应变仪120之一)可以检测应变和/或位移，并提供指示触针接触工件的位移传感器信号。在图1所示的实施例中，位移传感器信号从位移传感器120通过连接122(例如图2中最佳可见的柔性印刷连接器)传输到接触探针电路200的其他元件。接触探针电路200可以配置为下面进一步公开的各种接触探针电路原理。在一些实施例中，一个或多个位移传感器120可被认为是接触探针电路200的组成部分。
在一实施方式中，接触探针电路200包括在接触探针的壳体中，并且触发信号确定处理电路的至少一部分位于接触探针的壳体外部。接触探针电路200和外部触发信号确定处理电路之间的信号可以通过包括在接触探针的连接器部分103中的电连接或者通过任何已知的无线装置(比如已经在各种商用接触探针中使用的那些)来交换。
在另一实施方式中，对应于多个位移传感器的多个接触探针电路包括在接触探针的壳体中(例如，如本文的各个图中所示)，并且触发信号确定处理电路也可以位于接触探针的壳体内部，并且接触探针配置为输出与触针接触工件相对应的触摸触发信号。这样的触发信号确定处理电路和外部CMM主机系统等之间的信号可以通过包括在接触探针的连接器部分103中的电连接或者通过任何已知的无线装置(比如已经在各种商用接触探针中使用的那些)来交换。
图2是部分示意图，更详细地示出了图1所示的各种元件的一个实施方式，包括位移传感器配置110。应该理解的是，图2的特定编号的部件1XX可以提供与图1的相似编号的相应部件1XX的相似操作或功能，并且可以通过与其类似的方式进一步理解并如下文所述。特别地，如之前参考图1所示，下弯曲元件121可以结合到和/或夹持到下支撑元件181，以防止薄且平坦的下弯曲元件121的变形。然而，下支撑件元件181也配置成使得弯曲元件121的弯曲部分FP不被支撑并且自由弯曲(例如在图1中最佳可见的弯曲间隙区域FG的附近)。由于触针106通过移动组件111连接至弯曲元件121和/或弯曲部分FP的中心区域CR，所以弯曲部分FP可以因当其接触部分108接触工件时用于偏转触针106的力而发生应变和/或位移。在图2所示的实施方式中，应变仪位移传感器120-1至120-4结合到各个弯曲部分FP以检测它们的应变和/或位移，并提供指示触针接触部分108接触工件的位移传感器信号。在图2所示的实施方式中，位移传感器信号S1-S4从位移传感器120通过柔性印刷连接器122传输到接触探针100中的接触探针电路200的其他元件。
图3是示出了耦接到坐标测量系统(例如CMM主机系统)的接触探针电子系统300的一个实施方式的各种元件的框图，包括根据本文公开的原理配置的接触探针电路200的一个示例性实施例或实施方式。接触探针电子系统300还包括触摸触发确定处理电路350的一个示例性实施方式。要理解的是，图3的特定编号的部件2XX可以提供与图1和/或图2的类似编号的对应部件1XX或2XX的相似操作或功能，并且可以通过与其类似的方式进一步理解并如下文所述。用于指示具有类似设计和/或功能的元件的该编号方案适用于以下图4。
在图3所示的实施方式中，接触探针电路200包括多个位移传感器220-1至220-4、包括多个单独偏移补偿控制器部分230-1至230-4的偏移补偿控制器230、以及多个差分放大器DA-1至DA-4。应该理解的是，具有类似“X”或“-X”标记(例如，X＝1等)的各种元件一起工作，如图中所示的连接所暗示的那样，以形成单个的接触探针电路“通道”，其可以各自以类似于下面针对“通道X＝1”描述的方式进行操作。
在操作中，位移传感器220-1配置为输出响应于附接到接触探针(例如接触探针100)的触针(例如触针106)的位移的传感器信号S1。偏移补偿控制器部分230-1配置为输出变化的偏移补偿信号OC1(例如通过D/A转换器235，其在一些实施例中被认为是偏移补偿控制器230和/或偏移补偿控制器230部分230-1的一部分)。如下面更详细地描述，来自偏移补偿控制器部分230-1的变化的偏移补偿信号OC1用于补偿由位移传感器220-1输出的静止状态信号分量的变化。差分放大器DA1连接以输入来自偏移补偿控制器部分230-1的偏移补偿信号OC1和位移传感器信号S1，并且放大输入信号之间的差值。放大的差值作为偏移补偿位移信号OCDS1(例如通过A/D转换器245)从差分放大器DA1输出。偏移补偿位移信号OCDS1可以通过A/D转换器245输出到触发信号确定处理电路350，以有助于确定接触探针的触摸触发信号(例如信号375T)，如下面更详细地所述。偏移补偿位移信号OCDS1也通过A/D转换器245输出以输入到偏移补偿控制器部分230-1用于调整其输出的偏移补偿信号。具体而言，偏移补偿控制器部分230-1配置为提供反馈回路，其输入偏移补偿位移信号OCDS1并响应该输入以生成低通滤波偏移补偿信号OC1(例如通过D/A转换器235)，其被输入到差分放大器DA1以补偿由于静止状态信号分量引起的位移传感器信号S1中的偏移。与补偿位移传感器信号中更慢变化的静止状态信号漂移分量以便隔离位移传感器信号中更快变化的工件接触信号分量的各种已知的现有技术方法的缺点相比，在本公开的“发明内容”部分中先前已经概述了使用这种类型的反馈回路在差分放大器DA1处生成和应用低通滤波偏移补偿信号OC1的优点。
应该理解的是，基于本文公开的各种接触探针电路的操作原理的先前和以下描述，接触探针电路200可以由电子设计领域的技术人员实现在模拟或数字电路或者其组合中。在各种部分或完全模拟电路实施方式中，可以省略D/A转换器235和/或A/D转换器245。然而，在各种实施方式中，偏移补偿控制器230和/或偏移补偿控制器部分230-1的数字电路实施方式可具有各种优点。在这样的实施方式中，接触探针电路200然后可以有利地包括A/D转换器245和/或D/A转换器235。在各种实施方式中，A/D转换器245和/或D/A转换器235可以转换多个通道并行地通过并行转换器通道，或者在其他实施方式中，如果在特定实施方式中允许相关的处理时间，则它们可以多路复用各个通道用于顺序转换。
在各种实施方式中，A/D转换器245可以名义上以M位分辨率操作。差分放大器DA1可以包括模拟放大器，其配置为将偏移补偿位移信号OCDS1输出到A/D转换器245，其配置为将偏移补偿位移信号OCDS1转换成相应的数字偏移补偿位移信号OCDS1，其被输出到触发信号确定处理电路350，并且还被输入到偏移补偿控制器部分230-1用于调整偏移补偿信号OC1。在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分230-1包括名义上以N位分辨率操作的D/A转换器235，并且偏移补偿控制器部分230-1包括数字电路，其配置为输入数字偏移补偿位移信号OCDS1和确定输入到D/A转换器235的低通滤波数字偏移补偿信号OC1的值，并且D/A转换器235配置为将低通滤波数字偏移补偿信号OC1转换为输入到模拟差分放大器DA1的相应的低通滤波模拟偏移补偿信号OC1。在各种实施方式中，如果N比M大至少2位，则可能是有利的。这可能是有利的，因为如前所述，对于在接触探针中的各种类型的位移传感器和/或其实施方式，由于允许的触针偏转量，由位移传感器输出的静止状态信号分量的变化(例如各种传感器信号“漂移”)通常可以超过位移传感器信号的变化。这意味着低通滤波模拟偏移补偿信号OC1可以是较大的值，以便补偿由位移传感器输出的大的静止状态信号分量。相反，由差分放大器DA1提供的处理从其输出中去除低通滤波模拟偏移补偿信号OC1的较大值，仅输出由于允许的触针偏转量而对应于位移传感器信号的变化的相对较小值的信号偏移补偿(模拟)位移信号OCDS1。结果，为了在从D/A转换器235和A/D转换器245输出的信号中提供可比较的信号分辨率和/或防止由于低通滤波模拟偏移补偿信号OC1中的分辨率不足而造成的A/D转换器245的输出中的不希望的跳跃或“抖动”，在各种实施方式中，如果N比M大至少2位，则它可能是最为经济和有利的。
此外，为了在偏移补偿数字位移信号OCDS1中提供期望的分辨率水平，在许多应用中M至少为12可能是有利的。这提出了另一种实施方式，其也可以以处理效率和经济性为代价提供可接受的性能：在各种实施方式中，如果M至少为14并且N至少与M一样大，则所得到的偏移补偿数字位移信号OCDS1的最低有效位可被截断或忽略(例如在触发信号确定处理电路350中)。
触发信号确定处理电路350可以根据接触探针设计领域的技术人员已知的原理来实现。因此，在此仅简要地在一个示例性实施方式中简要地描述，以便提供使用本文公开的各种接触探针电路配置的背景。如前所述，并且如图3所示，在各种接触探针实施方式中可能需要组合多个位移传感器信号以便提供与触摸触发信号切换阈值相比较的组合信号。例如，这样的实施方式可以很好地补充某些经济的悬架配置。因此，如图3所示，触发信号确定处理电路350输入四个单独的偏移补偿数字位移信号OCDS1-OSDS4，并且包括信号组合处理部分351，该信号组合处理部分351确定提供给触发阈值处理电路352的组合位移信号。触发阈值处理电路352定义与组合位移信号进行比较的切换阈值。当组合位移信号超过切换阈值时，触发阈值处理电路352输出指示触针已经接触工件的触摸触发信号375T。触摸触发信号375T被传送到CMM主机系统等，例如通过I/O电路370，使得主机系统中的当前测量值可被记录以指示触针的当前坐标以及其所接触的工件表面的测量坐标。在各种实施例中，I/O电路370还可以在主机系统和触发信号确定处理电路350和/或接触探针电路200的各种元件之间传递其他控制信号和/或参数375。
触发阈值处理电路352可以包括已知类型的滞后电路353，其相对于定义的切换阈值实现滞后，使得触摸触发信号375T不被移除或否定，直到组合位移信号落在低于切换阈值的预定量。这防止了当触针稍微接触/不接触工件表面时触摸触发信号375T抖动打开和关闭。
触发信号确定处理电路350还可以包括偏移补偿控制器中断信号生成电路354，其可以从触发阈值处理电路352接收触摸触发信号375T或相关信号，并将中断信号354S发送给偏移补偿控制器230以中断或冻结其影响，如下面更详细地描述。这确保偏移补偿控制器230不操作以补偿由于位移传感器信号中的持续工件接触信号分量导致的位移传感器信号变化，这将是不适当的和不期望的操作类型。
触发信号确定处理电路350的示例性操作的前述概要可基于对接触探针设计领域中当前可用的各种相关材料的研究和应用而被进一步理解和实施。例如，在美国专利第7792654号(’654专利)中描述了包括信号组合处理方法以及切换阈值定义的一个示例性触发信号确定处理电路和方法，该专利通过引用整体结合到本文中。
图4是更详细地示出可用作先前参照图3描述的接触探针电路200的接触探针电路200’的一个实施例的某些方面的框图。要理解的是，图4的特定编号的部件2XX或2XX’可以对应于和/或提供与图1、图2和/或图3的类似编号的对应部件1XX或2XX的类似操作或功能，并且可以通过与其类似的方式进一步理解并如下文所述。要理解的是，图4中所示的各种元件如所示的连接所暗示的那样一起工作以形成单独的接触探针电路“通道”。如之前参考图3所述，附加的接触探针电路通道可以包括在接触探针中，每个以与针对图4所示的通道所描述的类似方式进行操作并在下面进行描述。
在图4所示的实施方式中，接触探针电路200’包括位移传感器220i、偏移补偿控制器230’和差分放大器DAi。在操作中，位移传感器220i配置为输出响应于附接到接触探针的触针(例如触针106)的位移的传感器信号S1。偏移补偿控制器部分230i配置为通过D/A转换器235’(其在一些实施例中被认为是偏移补偿控制器230i和/或其包括的校正反馈控制器434的一部分)输出变化的偏移补偿信号OCi，下面进一步描述。来自偏移补偿控制器部分230i的变化的偏移补偿信号OCi用于补偿由位移传感器220i输出的静止状态信号分量的变化。差分放大器DAi被连接以输入来自D/A转换器235’的模拟偏移补偿信号OCi和位移传感器信号Si，并且放大输入信号之间的差值。通过A/D转换器245将放大的差值从差分放大器DAi输出作为偏移补偿位移信号OCDSi以用于触发信号处理(例如，如前面参照图3所述)。偏移补偿位移信号OCDSi也被输入到偏移补偿控制器部分230i用于调整其输出的偏移补偿信号OCi。根据该描述，偏移补偿控制器部分230i配置为提供反馈回路，该反馈回路输入偏移补偿位移信号OCDSi并响应该输入以生成输入到差分放大器DAi的低通滤波偏移补偿信号OCi以补偿由于静止状态信号分量导致的位移传感器信号Si中的偏移。
在该特定实施方式中，偏移补偿控制器部分230i包括数字低通滤波器配置431，其配置为输入偏移补偿数字位移信号OCDSi并输出低通滤波器数字输出信号LPSi。偏移补偿控制器部分230i进一步包括数字校正反馈控制器434，其配置为输入低通滤波器数字输出信号LPSi并确定输入到D/A转换器235’且从D/A转换器235’输出的低通滤波数字偏移补偿信号OCi的值作为输入到差分放大器DAi的低通滤波模拟偏移补偿信号OCi。在图4所示的特定实施方式中，数字校正反馈控制器434配置为响应于低通滤波器数字输出信号LPSi的变化而作为比例积分控制器进行操作。如图所示，低通滤波器数字输出信号LPSi输入到校正反馈控制器434，并且相对于定义的参考电平436确定低通差分信号LPDSi。低通差分信号LPDSi可被输入到已知类型的数字比例积分(PI)控制器437(例如根据已知方法在模拟PI控制器上建模的IIR型PI控制器)。PI参数可以通过反复试验或分析来选择，以提供环路稳定性之间的期望折衷、足够快稳定时间以及偏移补偿信号的高精度。在所示的实施方式中，PI控制器437确定通过串行器438传送到D/A转换器235’的低通滤波数字偏移补偿信号OCi的值。可以理解的是，数字校正反馈控制器434的该配置仅是示例性的，而不是限制性的。
关于数字低通滤波器配置431的操作，我们首先注意到，在各种实施方式中可能有利的是，差分放大器DAi配置为提供具有第一截止频率的相对较高的带宽，并且偏移补偿控制器230’配置为生成对应于具有第二截止频率的相对较低的带宽的低通滤波偏移补偿信号OCi。例如，在一些实施方式中，第二截止频率可以比第一截止频率低至少1000倍，目的是补偿位移传感器信号中的更慢变化的静止状态信号漂移分量，并且隔离和放大位移传感器信号中的更快变化的工件接触信号分量。例如(差分放大器Dai的)第一截止频率可以至少为5000Hz，并且(偏移补偿控制器230’的)第二截止频率至多为5Hz。在其它实施方式中，可能有利的是，如果第二截止频率比第一截止频率低至少5000倍或更多。例如，(差分放大器Dai的)第一截止频率可以是至少10000Hz，并且(偏移补偿控制器230’的)第二截止频率至多2Hz。在各种实施方式中，第二截止频率可以是至少0.1Hz，以确保补偿各种不期望的“更慢变化”的静止状态信号漂移分量。
在图4所示的实施方式中，数字低通滤波器配置431的操作可以提供上面概述的有利特征。在各种实施方式中，数字低通滤波器配置431配置为以第一“高”采样率输入数字偏移补偿位移信号，该第一“高”采样率足以防止信号偏移补偿数字位移信号OCDSi的混叠(例如50KHz或100KHz的采样率很容易实现)。数字低通滤波器配置431可以具有包括抽取器432的“第一级”，抽取器432包括计数器432B和以期望采样率启用的已知类型的数字低通滤波器432A(例如三阶Butterworth IIR滤波器)。抽取器432可以配置为向“第二级”低通滤波器433提供“中间”低通输出(例如具有100Hz的中间有效截止频率)。低通滤波器433配置为以降低的“低”采样率输入“中间”低通输出，该降低的“低”采样率足以防止混叠“中间”低通输出(例如600Hz)。这可以通过从计数器432B提供的降低的“低”采样率使能信号来建立。在一些实施例中，数字低通滤波器433可以是与先前描述的数字低通滤波器432A类似的已知类型。数字低通滤波器433可以提供具有期望的低通截止频率(例如至少0.5Hz并且至多5Hz或2Hz或1Hz等)的“最终”低通输出。低通滤波器431防止较高频率信号(例如由于振动引起)混淆成较低频率，否则可能会不期望地影响偏移补偿信号OCi。
从以上描述可以看出，低通滤波器431可以以第二采样率(低采样率)输出低通滤波器数字输出信号LPSi，该第二采样率是比第一个采样率(低采样率)慢至少10倍或者甚至100倍或更多倍。校正反馈控制器434和D/A转换器235’也可以以相同的低采样率操作，这可以简化校正反馈控制器434和/或偏移补偿控制器230’的设计。
在各种实施方式中，根据之前参照图3概述的原理和关系，A/D转换器245’可以名义上以M位分辨率操作，并且D/A转换器235’可以名义上以N位分辨率操作。
在各种实施方式中，偏移补偿控制器部分230’还配置为包括偏移补偿中断电路439，其可以接收先前概述的中断信号354S等，并且配置为控制偏移补偿控制器230’保持在触发信号确定处理电路输出与触针触摸工件对应的触摸触发信号的时间期间输入到差分放大器的低通滤波偏移补偿信号OCi基本恒定。在一些这样的实施方式中，偏移补偿中断电路439配置为通过阻止提供给低通滤波器433的低采样率使能信号来响应中断信号354S等。低通滤波器433可以配置为使得这有效地将低通滤波器数字输出信号LPSi保持在恒定值，并且校正反馈控制器434然后根据需要通过将低通滤波偏移补偿信号OCi保持在恒定值来响应。当中断信号354S等结束时，偏移补偿中断电路439打开提供给低通滤波器433的低采样率使能信号，并且恢复先前概述的偏移补偿控制器230’的可变补偿操作。
在各种实施方式中，位移传感器可以包括安装在用于接触探针中的触针悬架装置中的弯曲元件上的硅应变计。然而，本文公开的接触探针电路以及相关概念和方法可应用于适用于接触探针电路中的各种其他类型的位移传感器。
虽然已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，对于本领域技术人员而言，所示出的和描述的特征和操作序列的布置中的许多变化是显而易见的。例如，在各种实施方式中，位移传感器可以包括安装在用于如本文所示的接触探针中的触针悬架装置中的弯曲元件上的硅应变计。然而，本文公开的接触探针电路以及相关概念和方法不限于此，而是它们可应用于适用于接触探针电路的各种其他已知类型的位移传感器—包括但不限于其他类型应变计、压电元件或光学、电容、磁性或电感式位移传感器。
可以使用各种替代形式来实现这里公开的原理。另外，上述各种实施方式可被组合以提供进一步的实施方式。本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请全部通过引用并入本文。如果必要的话，可以修改实施方式的各个方面以使用各种专利和应用的概念来提供进一步的实施方式。
2015年12月22日提交的美国临时专利申请序列号62/271,082的公开内容整体并入本文。
根据以上详细描述，可以对这些实施方式进行这些和其他改变。通常，在下面的权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制在说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而应被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求有权享有的等同物的全部范围。
Claims (24)
1.一种在用于坐标测量系统的接触探针中输出有助于确定触摸触发信号的信号的接触探针电路，所述接触探针电路包括：
位移传感器，配置为输出响应于附接到所述接触探针的触针的位移的传感器信号；
偏移补偿控制器部分，配置为提供变化的偏移补偿信号，其用于补偿由所述位移传感器输出的静止状态信号分量的变化；
差分放大器，其被连接以输入所述偏移补偿信号和传感器信号并且放大输入信号之间的差值，并且输出放大的差值作为偏移补偿位移信号，其中，所述偏移补偿位移信号被输出到触发信号确定处理电路以有助于确定用于所述接触探针的触摸触发信号，并且还输入到所述偏移补偿控制器部分用于调整所述偏移补偿信号；
其中，
所述偏移补偿控制器部分配置为提供反馈回路，其输入所述偏移补偿位移信号并响应该输入以生成输入到所述差分放大器的低通滤波偏移补偿信号，以补偿由于所述静止状态信号分量导致的传感器信号中的偏移。
2.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中：
所述接触探针电路包括名义上以M位分辨率操作的模拟数字转换器(A/D转换器)；并且
所述差分放大器包括模拟放大器，其配置为将所述偏移补偿位移信号输出到所述A/D转换器，所述A/D转换器配置为将所述偏移补偿位移信号转换为相应数字偏移补偿位移信号，其被输出到所述触发信号确定处理电路，并且还被输入到所述偏移补偿控制器部分用于调整所述偏移补偿信号。
3.根据权利要求2所述的接触探针电路，其中，所述偏移补偿控制器部分包括名义上以N位分辨率操作的数字模拟转换器(D/A转换器)；并且
所述偏移补偿控制器部分包括数字电路，其配置为输入数字偏移补偿位移信号并且确定输入到所述D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值，并且所述D/A转换器配置为将所述低通滤波数字偏移补偿信号转换为输入到所述差分放大器的相应模拟偏移补偿信号。
4.根据权利要求3所述的接触探针电路，其中，N比M大至少2位。
5.根据权利要求4所述的接触探针电路，其中，M至少为12。
6.根据权利要求3所述的接触探针电路，其中，M至少为14，并且N至少与M一样大。
7.根据权利要求3所述的接触探针电路，其中，所述偏移补偿控制器部分配置为以第一采样率输入所述数字偏移补偿位移信号并且以第二采样率输出所述低通滤波数字偏移补偿信号，所述第二采样率比所述第一采样率慢至少10倍。
8.根据权利要求7所述的接触探针电路，其中，所述第二采样率比所述第一采样率慢至少100倍。
9.根据权利要求7所述的接触探针电路，其中，所述第一采样率为至少50KHz。
10.根据权利要求3所述的接触探针电路，其中，所述偏移补偿控制器部分包括：
数字低通滤波器配置，其配置为输入所述数字偏移补偿位移信号并输出低通滤波器数字输出信号；和
数字校正反馈控制器，其配置为输入所述低通滤波器数字输出信号并确定输入到所述D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值。
11.根据权利要求10所述的接触探针电路，其中，所述数字校正反馈控制器配置为响应于所述低通滤波器数字输出信号的变化而作为比例积分控制器操作。
12.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中，所述差分放大器配置为提供具有第一截止频率的相对较高的带宽，并且所述偏移补偿控制器部分配置为生成对应于具有第二截止频率的相对较低的带宽的低通滤波偏移补偿信号，其中，所述第二截止频率比所述第一截止频率低至少1000倍。
13.根据权利要求12所述的接触探针电路，其中，所述第二截止频率比所述第一截止频率低至少5000倍。
14.根据权利要求12所述的接触探针电路，其中，所述第一截止频率至少为5000Hz，并且所述第二截止频率至多为5Hz。
15.根据权利要求14所述的接触探针电路，其中，所述第二截止频率至少为0.1Hz。
16.根据权利要求12所述的接触探针电路，其中，所述偏移补偿控制器部分包括：
低通滤波器配置，其配置为输入所述偏移补偿位移信号并输出具有所述第二截止频率的低通滤波器输出信号；和
校正反馈控制器，其配置为输入所述低通滤波器输出信号，并且确定被生成并输入到所述差分放大器的低通滤波偏移补偿信号的电平。
17.根据权利要求16所述的接触探针电路，其中，所述校正反馈控制器配置为响应于所述低通滤波器输出信号的变化而作为比例积分控制器操作。
18.根据权利要求12所述的接触探针电路，其中：
所述接触探针电路包括名义上以M位分辨率操作的模拟数字转换器(A/D转换器)；
所述差分放大器包括模拟放大器，其配置为将所述偏移补偿位移信号输出到所述A/D转换器，所述A/D转换器配置为将所述偏移补偿位移信号转换为相应数字偏移补偿位移信号，其被输出到所述触发信号确定处理电路，并且还被输入到所述偏移补偿控制器部分用于调整所述偏移补偿信号；
所述偏移补偿控制器部分包括名义上以N位分辨率操作的数字模拟转换器(D/A转换器)；并且
所述偏移补偿控制器部分包括数字电路，其配置为输入数字偏移补偿位移信号并且确定具有所述第二截止频率并被输入到所述D/A转换器的低通滤波数字偏移补偿信号的值，并且所述D/A转换器配置为将所述低通滤波数字偏移补偿信号转换为具有所述第二截止频率并被输入到所述差分放大器的相应模拟低通滤波偏移补偿信号。
19.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中：
所述偏移补偿控制器部分还配置为保持在所述触发信号确定处理电路输出与所述触针触摸工件对应的触摸触发信号的时间期间输入到所述差分放大器的低通滤波偏移补偿信号基本恒定。
20.根据权利要求19所述的接触探针电路，其中：
所述偏移补偿控制器部分配置为接收当所述触发信号确定处理电路输出与所述触针触摸工件相对应的触摸触发信号时提供的中断信号，并且响应于该中断信号来保持输入到所述差分放大器的低通滤波偏移补偿信号基本恒定。
21.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中，所述接触探针电路包括在所述接触探针的壳体中，并且所述触发信号确定处理电路的至少一部分位于所述接触探针的壳体外部。
22.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中，所述接触探针电路包括在所述接触探针的壳体中，并且所述触发信号确定处理电路的至少一部分位于所述接触探针的壳体内部。
23.根据权利要求22所述的接触探针电路，其中，与多个位移传感器对应的多个所述接触探针电路包括在所述接触探针的壳体中，并且所述触发信号确定处理电路位于所述接触探针的壳体内部，并且所述接触探针配置为输出与所述触针触摸工件相对应的触摸触发信号。
24.根据权利要求1所述的接触探针电路，其中，所述位移传感器包括安装在用于所述接触探针中的触针悬架装置中的弯曲元件上的硅应变计。
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