CN108444393B - 一种双a/d跨尺度光栅位移测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置及方法。通过此测量装置及方法，可以任意组合两种不同转换位数与采样速度的A/D芯片，以满足不同需求的跨尺度光栅测量要求。光栅通过细分实现高分辨率测量，光栅细分数与A/D转换位数有关。为解决双A/D 采样与细分的跟踪问题，设计了基于双A/D采样的二路细分算法，一路为判定算法，判定算法是以高速A/D采样值作为细分采样值，另外一路为测量算法，测量算法中的细分采样值是动态分配的，当判定算法的细分值和细分增量值满足跟踪条件时，测量算法中的采样值为慢速A/D采样值，否则为高速A/D采样值。该发明可用于高精度、快速测量领域。

Description

一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置及方法。
背景技术
精密定位的位移反馈，通常是采用光栅尺作为位移反馈装置，光栅作为位移测量传感器已在众多领域得到广泛应用，如在大量程、高精度的位移测量仪器上。位移测量的高速和高精度一直都是两个相互制约的两个指标。虽然高精度光栅尺的分辨率可以达到纳米级，但由于光栅尺本身结构上的原因或由于光栅测量元器件和测量方法的原因，光栅尺的最大允许移动速度提高后，则测量分辨率必然降低，反之亦然。
目前的跨尺度光栅位移测量的方法主要有以下三种：
(1)使用两种性能不同的光栅尺:一个是适于高速状态下、低分辨率测量的粗光栅尺，一个适于低速状态下、高分辨率测量的精光栅尺。在光栅头移动过程中，粗光栅尺在满量程获得较高允许的测量速度，当光栅头与栅尺的相对移动到达末端时，精光栅尺使测量系统的分辨率达到纳米级。该方法由于双光栅信号切换过程中，存在硬件的响应时延，且不能做到确保两光栅尺配合良好，具有一定的局限性。
(2)基于单一光栅尺的高速高精度的位移测量。解决高速高精度位移测量的办法一般只能从提高位移传感器的性能着手，此方法的难点在于单个光栅位移传感器需要同时满足高速和高精度的位移测量，那就需要高密度的标尺刻线、复杂的光电扫描系统、高精度的电子元器件，实现起来比较困难。
(3)利用增量码进行低精度测量，绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性，解决高精度绝对位置采集的低速性，实现宏微复合的高速与高精度的测量。但绝对式光栅对光栅尺的制造要求高、成本高。绝对式光栅为了避免“丢步”，需要读取大量位置编码信息，且处理速度较慢。
光栅位移测量方法，基本上都是通过对光栅信号的细分、误差分离或补偿这样一些途径实现的一种位移测量方法。如何在现有光栅尺参数不变的条件下，提高光栅测量速度和测量分辨率已成为科研人员的重点研究内容之一。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置及方法
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置，包括有光栅尺、光栅信号调理电路、低转换位数的高速A/D芯片和高转换位数的慢速A/D芯片、连续采样控制电路和微处理器，在光栅尺设有光栅头，利用光栅头和光栅尺的相对运动时产生光栅信号，低转换位数的高速A/D芯片和高转换位数的慢速A/D芯片通过连续采样控制电路并行采样光栅信号调理电路输出的光栅信号，在微处理器中对连续采样控制电路采集的光栅信号进行细分和衔接实现跨尺度光栅位移的测量。
一种双A/D跨尺度光栅位移测量方法，包括有二路光栅细分算法和测量算法。
所述的二路光栅细分算法具体内容如下：分为两路：一路为低转换位数的高速A/D采样的细分算法，称之为判定算法，另一路为双A/D切换采样的细分算法，称之为测量算法，所述的判定算法使用低转换位数的高速A/D芯片的采样值，判定算法解算出的细分值用于光栅测量速度的监测，为测量算法中的双A/D切换采样提供依据，测量算法中的A/D采样值分别来自于低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值，低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值的切换条件，由判定算法中的细分值确定。
所述的二路光栅细分算法采用的是互补函数光栅细分算法，在程序中设计可以调用的动态数据库DADsdvs.dll，库中定义了两个光栅细分函数，即int SubdivisionA(double,double)、int SubdivisionB(double,double)，两路细分函数的返回值就是光栅位移增量值，其中，函数int SubdivisionA(double,double)用于判定算法，函数intSubdivisionB(double,double)用于测量算法，两个光栅细分函数返回的位移增量值单位与设定的光栅细分数和使用的光栅栅距有关。
所述的测量算法具体内容如下：在所述的二路光栅细分算法中，判定算法中的采样值为低转换位数的高速A/D芯片采样值，而测量算法中的采样值分别为低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值；
设：X0，x1，x2，……，xn-1，Xn，xn+1，xn+2，……为位移方向上的光栅测量值，X0和Xn为定位点上的光栅测量值，x1，x2，……，xn-1为测量过程中的光栅测量值，对应的测量误差分别为：ERR0，err1，err2，……，errn-1，ERRn，errn+1，errn+2，……；
若上述误差满足如下条件，则测量算法成立，即：
ERRi≈0 (1)
Figure BDA0001619354630000031
式(1)和式(2)中的i＝0、n；j＝1、2……n-1、n+1、n+2……；
为满足上述条件，定位点上的光栅测量由高转换位数的慢速A/D芯片承担，测量过程中的光栅测量值由低转换位数的高速A/D芯片；
由测量算法的原理可知，转换位数高的慢速A/D决定了光栅测量精度，而转换位数低的高速A/D决定了光栅测量速度，测量算法的实现从本质上讲，就是如何保证转换位数高的慢速A/D的采样条件，使之满足式(1)的测量误差要求，
设判定算法的光栅测量值为Jd，则有：
Jd+＝SubdivisionA(vhsin,vhcos) (3)
设测量算法的光栅测量值为Md，则有：
Md+＝SubdivisionB({vhsinorvlsin},{vhcosorvlcos}) (4)
式(3)和式(4)中的vhsin和vhcos为高速光栅信号采样值，vlsin和vlcos为慢速光栅信号采样值，(3)中的细分函数返回值对应的是采样时间间隔△t内的位移增量值△Jd，可以直接换算为判定函数的速度测量值vJ＝△Jd/△t和速度变化值△vJ；
测量算法的实现条件为：满足∏条件，执行Md+＝SubdivisionB(vlsin,vlcos)，否则执行Md+＝SubdivisionB(vhsin,vhcos)，
∏条件概括为如下条件之一：
(1)|vJ|≤Jmin；
(2)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ<0并且△vJ>δmax；
(3)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ>0并且△vJ<-δmax，
上述条件中的Jmin和Jmax为判定算法设定的速度值，Jmin＜Jmax，δmax为高速A/D采样的最大测量分辨率，中，Jmax设定值必须小于慢速A/D应用时的最低采样速度，Jmin设定值必须大于高速A/D采样的测量分辨率。
测量算法中的采样值不是固定一个A/D芯片的采样值，而是根据判定算法的条件，动态地在两个A/D芯片的采样值之间进行切换。
高速高精度的定位系统在定位前存在高的加速启动和高速运动过程，而在末端定位时刻的速度并不高，针对该特点，本发明一种双A/D跨尺度测量装置及方法，实现全速实时不间断采集，分别使位移系统在加速与匀速阶段的速度得到提高，同时在低速的定位阶段，得到高分辨率(可达nm分辨率)，很好地解决了位移测量高速与高精度的制约。通过对光栅尺测量原理和切换误差的分析，研究双光栅尺信号切换合成及减小切换合成误差的方法。本方法的研究成果可满足新一代运动定位系统对高速高精度的要求，简化实验过程。双A/D跨尺度测量装置及方法利用了低转换位数的高速A/D芯片和高转换位数的慢速A/D芯片的采样特点和性价比优势，充分发挥了两种不同A/D芯片的高速特性和高转换位数的特性，进而满足高速、高分辨率的跨尺度光栅测量要求。
本发明的优点是：本发明可以任意组合两种不同转换位数与采样速度的A/D芯片，以满足不同需求的跨尺度光栅测量要求，可以实现低成本、高速度、高精度、易实施等目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种双A/D跨尺度光栅位移测量装置，包括有光栅尺2、光栅信号调理电路3、低转换位数的高速A/D芯片4、高转换位数的慢速A/D芯片5、连续采样控制电路6和微处理器7，在光栅尺2设有光栅头1，利用光栅头1和光栅尺2的相对运动时产生光栅信号，低转换位数的高速A/D芯片4和高转换位数的慢速A/D芯片5通过连续采样控制电路6并行采样光栅信号调理电路3输出的光栅信号，在微处理器7中对连续采样控制电路采集的光栅信号进行细分和衔接实现跨尺度光栅位移的测量。
采用型号为AD9288等的低转换位数的高速A/D芯片4，采用型号为AD7766B等的高转换位数的慢速A/D芯片5。
一种双A/D跨尺度光栅位移测量方法，包括有二路光栅细分算法和测量算法。
所述的二路光栅细分算法具体内容如下：分为两路：一路为低转换位数的高速A/D采样的细分算法，称之为判定算法，另一路为双A/D切换采样的细分算法，称之为测量算法，所述的判定算法使用低转换位数的高速A/D芯片的采样值，判定算法解算出的细分值用于光栅测量速度的监测，为测量算法中的双A/D切换采样提供依据，测量算法中的A/D采样值分别来自于低转换位数的高速A/D芯片4采样值和高转换位数的慢速A/D芯片5采样值，低转换位数的高速A/D芯片4采样值和高转换位数的慢速A/D芯片5采样值的切换条件，由判定算法中的细分值确定。
所述的二路光栅细分算法采用的是互补函数光栅细分算法，在程序中设计可以调用的动态数据库DADsdvs.dll，库中定义了两个光栅细分函数，即int SubdivisionA(double,double)、int SubdivisionB(double,double)，两路细分函数的返回值就是光栅位移增量值，其中，函数int SubdivisionA(double,double)用于判定算法，函数intSubdivisionB(double,double)用于测量算法，两个光栅细分函数返回的位移增量值单位与设定的光栅细分数和使用的光栅栅距有关。
所述的测量算法具体内容如下：在所述的二路光栅细分算法中，判定算法中的采样值为低转换位数的高速A/D芯片采样值，而测量算法中的采样值分别为低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值；
设：X0，x1，x2，……，xn-1，Xn，xn+1，xn+2，……为位移方向上的光栅测量值，X0和Xn为定位点上的光栅测量值，x1，x2，……，xn-1为测量过程中的光栅测量值，对应的测量误差分别为：ERR0，err1，err2，……，errn-1，ERRn，errn+1，errn+2，……；
若上述误差满足如下条件，则测量算法成立，即：
ERRi≈0 (1)
Figure BDA0001619354630000051
式(1)和式(2)中的i＝0、n；j＝1、2……n-1、n+1、n+2……；
为满足上述条件，定位点上的光栅测量由高转换位数的慢速A/D芯片承担，测量过程中的光栅测量值由低转换位数的高速A/D芯片；
由测量算法的原理可知，转换位数高的慢速A/D决定了光栅测量精度，而转换位数低的高速A/D决定了光栅测量速度，测量算法的实现从本质上讲，就是如何保证转换位数高的慢速A/D的采样条件，使之满足式(1)的测量误差要求，
设判定算法的光栅测量值为Jd，则有：
Jd+＝SubdivisionA(vhsin,vhcos) (3)
设测量算法的光栅测量值为Md，则有：
Md+＝SubdivisionB({vhsinorvlsin},{vhcosorvlcos}) (4)
式(3)和式(4)中的vhsin和vhcos为高速光栅信号采样值，vlsin和vlcos为慢速光栅信号采样值，(3)中的细分函数返回值对应的是采样时间间隔△t内的位移增量值△Jd，可以直接换算为判定函数的速度测量值vJ＝△Jd/△t和速度变化值△vJ；
测量算法的实现条件为：满足∏条件，执行Md+＝SubdivisionB(vlsin,vlcos)，否则执行Md+＝SubdivisionB(vhsin,vhcos)，
∏条件概括为如下条件之一：
(1)|vJ|≤Jmin；
(2)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ<0并且△vJ>δmax；
(3)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ>0并且△vJ<-δmax，
上述条件中的Jmin和Jmax为判定算法设定的速度值，Jmin＜Jmax，δmax为高速A/D采样的最大测量分辨率，中，Jmax设定值必须小于慢速A/D应用时的最低采样速度，Jmin设定值必须大于高速A/D采样的测量分辨率。

Claims (1)

1.一种双A/D跨尺度光栅位移测量方法，其特征在于：双A/D跨尺度光栅位移测量装置包括有光栅尺、光栅信号调理电路、低转换位数的高速A/D芯片和高转换位数的慢速A/D芯片、连续采样控制电路和微处理器，在光栅尺设有光栅头，利用光栅头和光栅尺的相对运动时产生光栅信号，低转换位数的高速A/D芯片和高转换位数的慢速A/D芯片通过连续采样控制电路并行采样光栅信号调理电路输出的光栅信号，在微处理器中对连续采样控制电路采集的光栅信号进行细分和衔接实现跨尺度光栅位移的测量；
双A/D跨尺度光栅位移测量方法包括有二路光栅细分算法和测量算法；
所述的二路光栅细分算法具体内容如下：分为两路：一路为低转换位数的高速A/D采样的细分算法，称之为判定算法，另一路为双A/D切换采样的细分算法，称之为测量算法，所述的判定算法使用低转换位数的高速A/D芯片的采样值，判定算法解算出的细分值用于光栅测量速度的监测，为测量算法中的双A/D切换采样提供依据，测量算法中的A/D采样值分别来自于低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值，低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值的切换条件，由判定算法中的细分值确定；
所述的二路光栅细分算法采用的是互补函数光栅细分算法，在程序中设计可以调用的动态数据库DADsdvs.dll，库中定义了两个光栅细分函数，即int SubdivisionA(double,double)、int SubdivisionB(double,double)，两路细分函数的返回值就是光栅位移增量值，其中，函数int SubdivisionA(double,double)用于判定算法，函数int SubdivisionB(double,double)用于测量算法，两个光栅细分函数返回的位移增量值单位与设定的光栅细分数和使用的光栅栅距有关；
所述的测量算法具体内容如下：在所述的二路光栅细分算法中，判定算法中的采样值为低转换位数的高速A/D芯片采样值，而测量算法中的采样值分别为低转换位数的高速A/D芯片采样值和高转换位数的慢速A/D芯片采样值；
设：X0，X1，X2，……，Xn-1，Xn，Xn+1，Xn+2，……为位移方向上的光栅测量值，X0和Xn为定位点上的光栅测量值，X1，X2，……，Xn-1为测量过程中的光栅测量值，对应的测量误差分别为：err0，err1，err2，……，errn-1，errn，errn+1，errn+2，……；
若上述误差满足如下条件，则测量算法成立，即：
err i≈0 (1)
Figure FDA0002317505730000021
式(1)和式(2)中的i＝0、n；j＝1、2……n-1、n+1、n+2……；
为满足上述条件，定位点上的光栅测量由高转换位数的慢速A/D芯片承担，测量过程中的光栅测量值由低转换位数的高速A/D芯片；
转换位数高的慢速A/D决定了光栅测量精度，而转换位数低的高速A/D决定了光栅测量速度，测量算法的实现从本质上讲，就是如何保证转换位数高的慢速A/D的采样条件，使之满足式(1)的测量误差要求，
设判定算法的光栅测量值为Jd，则有：
Jd+＝SubdivisionA(vhsin,vhcos) (3)
设测量算法的光栅测量值为Md，则有：
Md+＝SubdivisionB({vhsin or vlsin},{vhcos or vlcos}) (4)
式(3)和式(4)中的vhsin和vhcos为高速光栅信号采样值，vlsin和vlcos为慢速光栅信号采样值，(3)中的细分函数返回值对应的是采样时间间隔△t内的位移增量值△Jd，可以直接换算为判定函数的速度测量值vJ＝△Jd/△t和速度变化值△vJ；
测量算法的实现条件为：满足∏条件，执行Md+＝SubdivisionB(vlsin,vlcos)，否则执行Md+＝SubdivisionB(vhsin,vhcos)，
∏条件概括为如下条件之一：
(1)|vJ|≤Jmin；
(2)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ<0并且△vJ>δmax；
(3)Jmin<|vJ|≤Jmax，vJ>0并且△vJ<-δmax，
上述条件中的Jmin和Jmax为判定算法设定的速度值，Jmin＜Jmax，δmax为高速A/D采样的最大测量分辨率，中，Jmax设定值小于慢速A/D应用时的最低采样速度，Jmin设定值大于高速A/D采样的测量分辨率。
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