CN110146025B - 一种光栅尺的位移测量装置、方法及系统 - Google Patents
一种光栅尺的位移测量装置、方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种光栅尺的位移测量装置，包括截取模块，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；处理模块，用于根据预设相加原则，对截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；变换模块，用于利用快速傅里叶变换对加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；位移确定模块，用于根据复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。本申请中测量装置通过截取模块对光栅尺的数字位移信号进行处理，得到的截取后数字位移信号为完整的周期信号，且降低了光谱泄露现象，使得经过处理模块、变换模块、位移确定模处理后得到的光栅尺位移的精度更高。本申请还提供一种具有上述优点的测量方法和系统。
Description
技术领域
本申请涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种光栅尺的位移测量装置、方法及系统。
背景技术
随着制造业的发展，人们对制造业中机械运动的精度的要求越来越严格。光栅尺是关于机械运动精度的核心部件，其通过测量机械沿坐标轴的直线运动参数并把相关信息反馈给控制系统从而达到确保机械运动的精度在要求的范围内的目的。增量式光栅尺是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹，通过对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量，并通过在标尺光栅上设定一个或是多个参考点来确定绝对位置。增量式光栅尺比绝对式光栅尺比成本低20％左右，因此，实际行业中一般会选用增量式光栅尺。
现有技术中，采用傅里叶变换对采集到的增量式光栅尺信号进行处理，虽然能够得到增量式光栅尺的位移，但是却存在以下两个问题，第一，只有当采样频率为傅里叶变换频率间隔的整数倍时，测出的位移才准确，即每次测量必须从指定的起点开始进行测量，否则会出现“不同步采样”情况，从而使得测出的位移不准确，进而只能使用校正措施予以矫正，但这样就会增大计算量；第二，傅里叶变换存在比较严重的频谱泄露现象，导致测量精度降低，从而影响了增量式光栅尺的位移测量精度。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种光栅尺的位移测量装置、方法及系统，以提高光栅尺位移的测量精度。
为解决上述技术问题，本申请提供一种光栅尺的位移测量装置，包括：
截取模块，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；
处理模块，用于根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
变换模块，用于利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
位移确定模块，用于根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
可选的，所述位移确定模块包括：
检索单元，用于对所述复数型数字位移信号进行检索，得到频率值；
计算单元，用于对所述频率值进行反正切，得到相位；
确定单元，用于根据相位与位移对应关系，确定所述光栅尺位移。
可选的，还包括：
获取模块，用于获取图像传感器采集的所述光栅尺的图像位移信号；
预处理模块，用于转换所述图像位移信号为正弦信号，并将所述正弦信号进行模数转换，得到所述数字位移信号。
可选的，所述获取模块具体用于获取CMOS图像传感器采集的所述图像位移信号。
可选的，所述检索单元具体用于根据基于数据插值的二维MUSIC谱峰搜索算法对所述复数型数字位移信号进行检索，得到所述频率值。
可选的，还包括：
发送模块，用于发送所述光栅尺位移至显示装置。
本申请还提供一种光栅尺的位移测量方法，包括：
对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；
根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
本申请还提供一种光栅尺的位移测量系统，包括：
图像传感器，用于采集光栅尺的图像位移信号，并将所述图像位移信号发送至处理器，以便所述处理器根据所述图像位移信号得到数字位移信号；
所述处理器，用于对所述数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
本申请所提供的光栅尺的位移测量装置，包括：截取模块，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；处理模块，用于根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；变换模块，用于利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；位移确定模块，用于根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。本申请中的光栅尺的位移测量装置通过截取模块对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号，使得到的截取后数字位移信号为一个完整的周期信号，且降低了截取后数字位移信号光谱泄露现象，进而使得处理模块对截取后数字位移信号进行相加、变换模块利用快速傅里叶变换对加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号之后，位移确定模块根据复数型数字位移信号确定的光栅尺位移的精确度更高。此外，本申请还提供一种具有上述优点的测量方法和系统。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种光栅尺的位移测量装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的光栅尺的位移测量方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的一种光栅尺的位移测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术中采用傅里叶变换对采集到的增量式光栅尺信号进行处理，使得光栅尺的位移的计算过程计算量大，且计算结果的精度较低。
有鉴于此，本申请提供了一种光栅尺的位移测量装置，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种光栅尺的位移测量装置的结构示意图，该装置包括：
截取模块100，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；
具体的，对数字位移信号进行加窗函数处理，即将光栅尺的数字位移信号与窗函数相乘，得到截取后数字位移信号，截取后数字位移信号的起始时刻和结束时刻的幅值均为零，截取后数字位移信号是一个完整的周期信号，相比之前未加窗处理的数字位移信号，频谱泄漏情况得到明显改善，并且避免了“不同步采样”的情况，使得对截取后数字位移信号进行后续处理得到的光栅尺位移精确度提高。
需要说明的是，本实施例中对采用的窗函数不做具体限定，可自行选择。例如，窗函数可以为平顶窗，或者高斯窗，或者汉宁窗等等。具体的处理过程此处不再详细赘述，已为本领域技术人员所熟知。
还需要说明的是，数字位移信号的数量为256的偶数倍，本实施例中对数字位移信号的数量不做具体限定，只要满足256的偶数倍即可。
处理模块200，用于根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
具体的，预设相加原则为将m个截取后数字位移信号按照排列顺序平均分成数量相等的两部分，第一部分的第一位截取后数字位移信号与第二部分的第一位截取后数字位移信号相加，第一部分的第二位截取后数字位移信号与第二部分的第二位截取后数字位移信号相加，以此类推，得到m/2个加和后数字位移信号。例如，当截取后数字位移信号为256个时，第1至128个截取后数字位移信号为第一部分，第129至256个截取后数字位移信号为第二部分，则处理模块200将第1个截取后数字位移信号与第129个截取后数字位移信号相加，将第2个截取后数字位移信号与第130个截取后数字位移信号相加，以此类推，得到128个加和后数字位移信号。
变换模块300，用于利用快速傅里叶变换对所述截取后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
具体的，将m/2个加和后数字位移信号采用快速傅里叶变换进行计算，得到复数型数字位移信号。具体的计算过程以为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。快速傅里叶转换的计算量大大少于傅里叶转换，因此，降低了计算都复杂程度，加快了计算速度。
位移确定模块400，用于根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
具体的，在本申请的一个实施例中，所述位移确定模块包括：
检索单元，用于对所述复数型数字位移信号进行检索，得到频率值；
计算单元，用于对所述频率值进行反正切，得到相位；
确定单元，用于根据相位与位移对应关系，确定所述光栅尺位移。
需要说明的是，本实施例中对检索单元对所述复数型数字位移信号进行检索的方式不做具体限定，可视情况而定。例如，所述检索单元可以具体根据基于数据插值的二维MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类)谱峰搜索算法对所述复数型数字位移信号进行检索，得到所述频率值，或者根据基于数据插值的二维MUSIC谱峰搜索算法对复数型数字位移信号进行检索，得到所述频率值。
具体的，计算单元得到的相位为一个角度，确定单元将得到的角度，根据相位与位移对应关系确定出光栅尺的位移，其中，相位与位移对应关系是一个标准的对应关系。
需要指出的是，本实施例中对相位与位移对应关系的具体形式不做限定，相位与位移对应关系可以是一张表格，也可以是一幅曲线图。
本实施例所提供的光栅尺的位移测量装置，包括：截取模块，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；处理模块，用于根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；变换模块，用于利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；位移确定模块，用于根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。本申请中的光栅尺的位移测量装置通过截取模块对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号，使得到的截取后数字位移信号为一个完整的周期信号，且降低了截取后数字位移信号光谱泄露现象，进而使得变换模块利用快速傅里叶变换对截取后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号之后，位移确定模块根据复数型数字位移信号确定的光栅尺位移的精确度更高。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，光栅尺的位移测量装置还包括：
获取模块，用于获取图像传感器采集的所述光栅尺的图像位移信号；
预处理模块，用于转换所述图像位移信号为正弦信号，并将所述正弦信号进行模数转换，得到所述数字位移信号。
具体的，在本申请的一个实施例中，所述获取模块具体用于获取CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器采集的所述图像位移信号，但是，本申请对此并不做具体限定，在本申请的另一个实施例中，获取模块具体用于获取CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器采集的图像位移信号。
优选地，光栅尺的位移测量装置还包括：
发送模块，用于发送所述光栅尺位移至显示装置，以便测量人员及时了解到光栅尺的位移。
下面对本申请实施例提供的光栅尺的位移测量方法进行介绍，下文描述的光栅尺的位移测量方法与上文描述的光栅尺的位移测量装置可相互对应参照。
图2为本申请实施例提供的光栅尺的位移测量方法的流程图，该方法包括：
步骤S101：对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；
步骤S102：根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
步骤S103：利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
步骤S104：根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
本实施例的光栅尺的位移测量方法用于实现前述的光栅尺的位移测量装置，因此，光栅尺的位移测量方法中的具体实施方式可见前文中的光栅尺的位移测量装置的实施例部分，例如，本实施例中的步骤S101，S102、S103和S104分别对应上述光栅尺的位移测量装置中的截取模块100，处理模块200，变换模块300，位移确定模块400，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
本实施例所提供的光栅尺的位移测量方法，通过对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号，使得到的截取后数字位移信号为一个完整的周期信号，且降低了截取后数字位移信号光谱泄露现象，提高了光栅尺位移的精度。
本申请还提供一种光栅尺的位移测量系统，请参考图3，图3为本申请实施例所提供的一种光栅尺的位移测量系统的结构示意图，该系统包括：
图像传感器1，用于采集光栅尺的图像位移信号，并将所述图像位移信号发送至处理器2，以便所述处理器2根据所述图像位移信号得到数字位移信号；
所述处理器2，用于对所述数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
需要说明的是，本实施例中对图像传感器1的种类不做具体限定，可视情况而定。例如，图像传感器1可以为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
本实施例所提供的光栅尺的位移测量系统，图像传感器采集光栅尺的图像位移信号并将该图像位移信号发送至处理器，处理器根据图像位移信号得到数字位移信号，并对数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号，根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号，进而利用快速傅里叶变换对加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号，根据复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号，使得到的截取后数字位移信号为一个完整的周期信号，且降低了截取后数字位移信号光谱泄露现象，提高了光栅尺位移的精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的光栅尺的位移测量装置、方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种光栅尺的位移测量装置，其特征在于，包括：
截取模块，用于对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；截取后数字位移信号的起始时刻和结束时刻的幅值均为零；
处理模块，用于根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
变换模块，用于利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
位移确定模块，用于根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
2.如权利要求1所述的光栅尺的位移测量装置，其特征在于，所述位移确定模块包括：
检索单元，用于对所述复数型数字位移信号进行检索，得到频率值；
计算单元，用于对所述频率值进行反正切，得到相位；
确定单元，用于根据相位与位移对应关系，确定所述光栅尺位移。
3.如权利要求2所述的光栅尺的位移测量装置，其特征在于，还包括：
获取模块，用于获取图像传感器采集的所述光栅尺的图像位移信号；
预处理模块，用于转换所述图像位移信号为正弦信号，并将所述正弦信号进行模数转换，得到所述数字位移信号。
4.如权利要求3所述的光栅尺的位移测量装置，其特征在于，所述获取模块具体用于获取CMOS图像传感器采集的所述图像位移信号。
5.如权利要求4所述的光栅尺的位移测量装置，其特征在于，所述检索单元具体用于根据基于数据插值的二维MUSIC谱峰搜索算法对所述复数型数字位移信号进行检索，得到所述频率值。
6.如权利要求1至5任一项所述的光栅尺的位移测量装置，其特征在于，还包括：
发送模块，用于发送所述光栅尺位移至显示装置。
7.一种光栅尺的位移测量方法，其特征在于，包括：
对光栅尺的数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；截取后数字位移信号的起始时刻和结束时刻的幅值均为零；
根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；
利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；
根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
8.一种光栅尺的位移测量系统，其特征在于，包括：
图像传感器，用于采集光栅尺的图像位移信号，并将所述图像位移信号发送至处理器，以便所述处理器根据所述图像位移信号得到数字位移信号；
所述处理器，用于对所述数字位移信号进行加窗函数处理，得到截取后数字位移信号；截取后数字位移信号的起始时刻和结束时刻的幅值均为零；根据预设相加原则，对所述截取后数字位移信号进行单次两两相加，得到加和后数字位移信号；利用快速傅里叶变换对所述加和后数字位移信号进行处理，得到复数型数字位移信号；根据所述复数型数字位移信号，确定光栅尺位移。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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