CN108895970A - 一种基于交变光场的直线位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交变光场的直线位移测量系统，包括发光元件、定尺基体、动尺基体、光电探测器和电子信号处理电路，定尺基体上设有一排定尺透光面，发光元件包括交变光源体，交变光源体由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场，动尺基体上设有的四排动尺透光面在垂直于交变光源体的方向上被单交变光场完全覆盖，光电探测器包括四个光电测头，四个光电测头能同时独立接收四排动尺透光面的全部光通量。发光元件、光电探测器和动尺基体一起相对于定尺基体移动，四个光电测头输出的四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动尺基体相对定尺基体的直线位移值。本发明能实现直线位移精密测量，同时减小测量系统体积，更利于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线位移测量系统，具体涉及一种基于交变光场的直线位移测量系统。
背景技术
在精密位移测量领域，光栅受先进制造工艺以及光波波长和光学衍射极限的制约，测量精度难以进一步提高。时栅是一种以时钟脉冲作为位移测量基准的位移传感器，专利CN104655023A公开了一种基于构造运动光场的单排时栅直线位移传感器，其采用通过四路光源透过单排半正弦透光面形成的信号合成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号的方式来实现直线位移的测量。这种时栅直线位移传感器存在如下问题：(1)四路交变光源信号的幅值、相位、散射角以及均匀性的不可控，使得高质量行波获取困难，从而制约了测量精度；(2)四路光源均需准直，使得传感器测头整体体积大，不利于集成，且成本高；(3)采用单排半正弦透光面，光通量小，对倾角误差补偿存在不足，且安装要求高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交变光场的直线位移测量系统，以实现直线位移精密测量，同时减小测量系统体积，更利于集成。
本发明所述的基于交变光场的直线位移测量系统，包括发光元件、定尺基体、动尺基体、光电探测器以及电子信号处理电路，发光元件安装在定尺基体前方，动尺基体平行正对安装在定尺基体后方，光电探测器安装在动尺基体后方，定尺基体保持固定，发光元件、动尺基体和光电探测器能同时随被测物体移动；所述定尺基体上沿测量方向设有一排均匀间隔分布且呈方形的定尺透光面，相邻两个定尺透光面的间距等于一个定尺透光面的宽度。
所述发光元件包括光源基体和安装在光源基体上的长条形的交变光源体，交变光源体由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场。
所述动尺基体上间隔设有四排动尺透光面，四排动尺透光面的结构相同且沿测量方向的起始位置依次错开个定尺透光面宽度，四排动尺透光面加间隔的高度之和小于或者等于一个定尺透光面的高度，四排动尺透光面在垂直于交变光源体的方向上被单交变光场完全覆盖；每排动尺透光面都由n个相同的双余弦透光面沿测量方向连续排列(即无间隔排列)构成，一个双余弦透光面的宽度等于一个定尺透光面的宽度的2倍。
所述光电探测器包括测头基体和安装在测头基体上的四个光电测头，四个光电测头能同时独立接收所述四排动尺透光面的全部光通量。
发光元件、光电探测器和动尺基体一起相对于定尺基体移动，四个光电测头输出反应四排动尺透光面光通量变化的四路光电流信号，四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动尺基体相对定尺基体的直线位移值。
所述双余弦透光面的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形。
所述交变光源体可以是发光二极管阵列，也可以是半导体面光源。
所述光电测头可以是长条形光电池，也可以是长条形光敏阵列。
所述电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块、第二差分放大模块、微控移相模块和第三差分放大模块，第一个光电测头、第三个光电测头输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块，经差分放大后输出第一电压信号U13，第二个光电测头、第四个光电测头输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块，经差分放大后输出第二电压信号U24，第一电压信号U13输入至微控移相模块，经移相后输出第三电压信号U′13，第三电压信号U′13、第二电压信号U24输入至第三差分放大模块，经差分放大后输出电行波信号Uo，电行波信号Uo输入至FPGA，经FPGA处理后得到动尺基体相对定尺基体的直线位移值。
所述微控移相模块包括数字电位器、差分放大器、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，FPGA控制数字电位器调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器输入至差分放大器的同向输入端，差分放大器的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器的反向输入端，差分放大器的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器的输出端，差分放大器的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13。
所述数字电位器的型号为AD5277，所述差分放大器的型号为LF353。通过FPGA设置步进点数，AD5277可以取各种不同范围的电阻值，配合LF353、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，能将第一电压信号U13精确移相90°，输出第三电压信号U′13。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
(1)构造单交变运动光场，避免了光源激励信号的幅值、相位、散射角以及均匀性、一致性难以保证的问题，从源头解决了行波信号质量难以提高的问题，减小了测量误差。
(2)采用单个交变光源体，减小了测量系统的体积，更易集成处理；同时，单个交变光源体激励降低了电路控制的难度和传感器的安装难度，简化了系统结构。
(3)微控移相的方法相较于电路移相方法，避免了放大器中的偏差以及电容公差的影响，移相精度更高。
(4)采用双余弦透光面连续排列，构成动尺透光面，其增大了透光量，双余弦透光面的对称性结构有效的减小了倾角误差，提高了测量精度，同时其对动尺基体、定尺基体的安装以及加工工艺要求低。
附图说明
图1为本发明中的发光元件、定尺基体、动尺基体、光电探测器的位置关系示意图。
图2为本发明中的四排动尺透光面与定尺透光面的对应关系图。
图3为本发明的测量原理图。
图4为本发明中的微控移相模块的电路图。
图5为本发明中的倾角误差与现有技术中的倾角误差的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1、图2所示的基于交变光场的直线位移测量系统，包括发光元件1、定尺基体2、动尺基体3、光电探测器4和电子信号处理电路，定尺基体2保持固定，发光元件1、动尺基体3和光电探测器4能同时随被测物体移动，发光元件1安装在定尺基体2前方，发光元件1包括光源基体12和安装在光源基体12上的长条形的交变光源体11，交变光源体11为发光二极管阵列(也可以是半导体面光源)，由一路正弦激励信号驱动，形成单交变光场。
定尺基体2采用玻璃作为基体材料，在其上表面覆盖遮光材料，使定尺基体2上留有一排未覆盖遮光材料且沿测量方向(即定尺基体的长度方向)均匀间隔分布的呈长方形的定尺透光面21，定尺透光面21的宽度为0.8mm，高度为32mm，相邻两个定尺透光面21的间距为0.8mm，定尺基体2的总长度为160mm，即定尺基体2上共有100个相同的定尺透光面21。
动尺基体3平行正对安装在定尺基体2后方，定尺基体2与动尺基体3的间距为0.4mm，动尺基体3采用玻璃作为基体材料，在其上表面覆盖遮光材料，使动尺基体3上留有四排未覆盖遮光材料的透光面，形成四排动尺透光面，相邻两排动尺透光面在高度方向的间距为1mm，四排动尺透光面的结构相同，且在垂直于交变光源体11的方向上被单交变光场完全覆盖。每排动尺透光面都由6个相同的双余弦透光面31沿测量方向连续排列(即无间隔排列)构成，双余弦透光面31的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，每个双余弦透光面31的宽度为1.6mm、高度为6mm，每个双余弦透光面31在定尺基体2上的投影都处于定尺透光面21的上边沿与下边沿所围成的区域内。沿测量方向，第二排动尺透光面的起始位置相对于第一排动尺透光面的起始位置向右错开0.4mm，第三排动尺透光面的起始位置相对于第二排动尺透光面的起始位置向右错开0.4mm，第四排动尺透光面的起始位置相对于第三排动尺透光面的起始位置向右错开0.4mm，则当第一排动尺透光面的透光量为50％时，第二排动尺透光面的透光量为18.2％，第三排动尺透光面的透光量为50％，第四排动尺透光面的透光量为81.8％。
双余弦透光面31增大了透光量，具有倾角误差补偿功能，能减小倾角误差，具体分析如下：如图5所示，在相同栅距的情况下，单个双余弦透光面的面积比单个半正弦透光面的面积大，与此同时，在相同长度的情况下，采用连续的透光面明显比有间隔的透光面的透光面积大很多；这些方法有效的增大了透光面积，增强了光信号和光电流。当双余弦透光面31向右倾斜时，有S1、S2、S3、S4面积变化，其中，S1、S4为透光面积减小的部分，S2、S3为透光面积增大的部分，双余弦透光面31为上、下对称结构，故总的透光面积变化(即倾角误差)ΔS＝S1-S2+S3-S4，由于S1＞S2、S4＞S3，即S1-S2＞0、S3-S4＜0，因此ΔS得到了减小，相对于半正弦透光面具有更好的补偿效果；当双余弦透光面31向左倾斜时，有S5、S6、S7、S8面积变化，其中S5、S8为透光面积增大的部分，S6、S7为透光面积减小的部分，双余弦透光面31为上、下对称结构，故总的透光面积变化(即倾角误差)ΔS＝S5-S6+S7-S8，由于S6＞S5、S7＞S8，即S5-S6＜0、S7-S8＞0，因此ΔS得到了减小，相对于半正弦透光面具有更好的补偿效果，也能更有效地补偿倾角绕不同点倾斜的误差。
光电探测器4安装在动尺基体3后方，光电探测器4包括测头基体42和安装在测头基体42上的相同的四个光电测头41，四个光电测头41都采用长条形光电池(也可以都采用长条形光敏阵列)，四个光电测头41与四排动尺透光面相互对应，四个光电测头41能同时独立接收四排动尺透光面的全部光通量(即第一个光电测头41独立接收第一排动尺透光面的全部光通量，同时第二个光电测头41独立接收第二排动尺透光面的全部光通量，同时第三个光电测头41独立接收第三排动尺透光面的全部光通量，同时第四个光电测头41独立接收第四排动尺透光面的全部光通量)，并转换为光电流信号输出。
如图3、图4所示，电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块6、第二差分放大模块7、微控移相模块和第三差分放大模块8，微控移相模块包括数字电位器9、差分放大器5、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，数字电位器9的型号为AD5277，差分放大器5的型号为LF353。
在没有定尺基体2空间调制的情况下，第一个、第二个、第三个、第四个光电测头上可以获得四组同幅同频，相位相差90°的光信号，经光电转换后的光电流可分别表示为：
I0°＝Im(1+cosωt)·S0°，I90°＝Im(1+cosωt)·S90°，I180°＝Im(1+cosωt)·S180°，I270°＝Im(1+cosωt)·S270°；
其中，S0°表示某一时刻第一排动尺透光面的透光面积，S90°表示某一时刻第二排动尺透光面的透光面积，S180°表示某一时刻第三排动尺透光面的透光面积，S270°表示某一时刻第四排动尺透光面的透光面积，Im为正弦激励的电流峰值，角频率ω＝2πf＝2×104π。
在有定尺基体2空间调制的情况下，透过四排动尺透光面的透光面积(对应于光通量)分别发生周期性的增大和减小，导致四个光电测头41上获得的光电流也相应的发生周期性的增大和减小。
当发光元件1、动尺基体3和光电探测器4一起随被测物体相对定尺基体2从图2所示位置开始向右移动，第一排动尺透光面的透光面积由一半开始减小，第二排动尺透光面的透光面积从最小开始增大，第三排动尺透光面的透光面积由一半开始增大，第四排动尺透光面的透光面积从最大开始减小。其中，第一排动尺透光面的透光面积与第三排动尺透光面的透光面积的变化关系完全相反，第二排动尺透光面的透光面积与第四排动尺透光面的透光面积的变化关系完全相反，第三排动尺透光面的透光面积的最大值与第四排动尺透光面的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第二排动尺透光面的透光面积的最大值与第四排动尺透光面的透光面积的最大值之间互相相差180°空间相位，第一排动尺透光面的透光面积的最大值与第四排动尺透光面的透光面积的最大值之间互相相差270°空间相位；这样第一个光电测头41输出第一路光电流信号I1、第二个光电测头41输出第二路光电流信号I2、第三个光电测头41输出第三路光电流信号I3、第四个光电测头41输出第四路光电流信号I4，I1、I2、I3、I4的相位依次相差90°，第一路光电流信号I1与第三路光电流信号I3经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块6，经差分放大后输出第一电压信号U13，第二路光电流信号I2与第四路光电流信号I4经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块7，经差分放大后输出第二电压信号U24，FPGA控制数字电位器9调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器9输入至差分放大器5的同向输入端，差分放大器5的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器5的反向输入端，差分放大器5的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器5的输出端，差分放大器5的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13，第三电压信号U′13与第二电压信号U24输入至第三差分放大模块8，经差分放大后输出电行波信号Uo，其基波表达式为：
式中：Ke为光强耦合系数，Kf为光电流放大倍数，x为动尺基体3相对于定尺基体2的直线位移，W为定尺透光面21的宽度，这里取值为0.8mm。
电行波信号Uo经FPGA内的信号调理模块整形成方波后，与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号输入至FPGA内的时空位移转换模块，进行比相，得到两路信号的相位差(即两个方波信号过零点的时间差)，该时间差乘以空间当量(即高频时钟插补)得到动尺基体3相对于定尺基体2的直线位移x，FPGA内的时空位移转换模块输出动尺基体3相对于定尺基体2的直线位移x，通过FPGA内的上位机通信模块可以将直线位移x发送给上位机位移显示模块进行显示。
Claims (7)
1.一种基于交变光场的直线位移测量系统，包括发光元件(1)、定尺基体(2)、动尺基体(3)、光电探测器(4)以及电子信号处理电路，发光元件(1)安装在定尺基体(2)前方，动尺基体(3)平行正对安装在定尺基体(2)后方，光电探测器(4)安装在动尺基体(3)后方；所述定尺基体(2)上沿测量方向设有一排均匀间隔分布且呈方形的定尺透光面(21)，相邻两个定尺透光面的间距等于一个定尺透光面的宽度；其特征在于：
所述发光元件(1)包括光源基体(12)和安装在光源基体上的长条形的交变光源体(11)，交变光源体(11)由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场；
所述动尺基体(3)上间隔设有四排动尺透光面，四排动尺透光面的结构相同且沿测量方向的起始位置依次错开个定尺透光面宽度，四排动尺透光面加间隔的高度之和小于或者等于一个定尺透光面的高度，四排动尺透光面在垂直于交变光源体(11)的方向上被单交变光场完全覆盖；每排动尺透光面都由n个相同的双余弦透光面(31)沿测量方向连续排列构成，一个双余弦透光面的宽度等于一个定尺透光面的宽度的2倍；
所述光电探测器(4)包括测头基体(42)和安装在测头基体上的四个光电测头(41)，四个光电测头(41)能同时独立接收所述四排动尺透光面的全部光通量；
发光元件(1)、光电探测器(4)和动尺基体(3)一起相对于定尺基体(2)移动，四个光电测头(41)输出反应四排动尺透光面光通量变化的四路光电流信号，四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动尺基体(3)相对定尺基体(2)的直线位移值。
2.根据权利要求1所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述双余弦透光面(31)的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形。
3.根据权利要求1或2所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述交变光源体(11)为发光二极管阵列或者半导体面光源。
4.根据权利要求1或2所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述光电测头(41)为长条形光电池或者长条形光敏阵列。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块(6)、第二差分放大模块(7)、微控移相模块和第三差分放大模块(8)，第一个光电测头、第三个光电测头输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块(6)，经差分放大后输出第一电压信号U13，第二个光电测头、第四个光电测头输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块(7)，经差分放大后输出第二电压信号U24，第一电压信号U13输入至微控移相模块，经移相后输出第三电压信号U′13，第三电压信号U′13、第二电压信号U24输入至第三差分放大模块(8)，经差分放大后输出电行波信号Uo，电行波信号Uo输入至FPGA，经FPGA处理后得到动尺基体(3)相对定尺基体(2)的直线位移值。
6.根据权利要求5所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述微控移相模块包括数字电位器(9)、差分放大器(5)、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，FPGA控制数字电位器(9)调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器(9)输入至差分放大器(5)的同向输入端，差分放大器(5)的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器(5)的反向输入端，差分放大器(5)的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器(5)的输出端，差分放大器(5)的输出端输出移相90°后的第三电压信号U＇13。
7.根据权利要求6所述的基于交变光场的直线位移测量系统，其特征在于：所述数字电位器(9)的型号为AD5277，所述差分放大器(5)的型号为LF353。
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