CN114688978B - 正弦波细分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光栅计量技术领域，具体提供一种正弦波细分方法，包括步骤：S1、通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号；S2、通过处理电路将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号，获得所述三束相差120度的正弦波电流信号的实时幅值的数字信息；S3、通过所述处理电路对所述数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值。本发明提供的正弦波细分方法，基于干涉式光栅尺的三光栅干涉扫描法输出三束相差120度正弦波的特点，通过本发明的电路处理和计算，每三束正弦周期都可以通过反正切插值运算细分，平均等分成8192份，从而达到很高的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光栅计量技术领域，特别涉及一种正弦波细分方法。
背景技术
光栅尺作为一种高精度的位置传感器，因具有测量精度高、可靠性强、响应速度快等优点，广泛应用于各种位移测量系统、数控机床、微电子封装设备当中。
光栅尺根据测量原理分为莫尔条纹式光栅尺和干涉式光栅尺两大类，前者的成本较低，精度在百纳米级，分辨在几十纳米级。后者的精度纳米级，分辨率纳米级。光栅尺测量的基准为光栅的栅距，莫尔条纹式光栅尺的栅距为40微米，经过电子学细分后，精度能够达到百纳米级。干涉式光栅尺栅距为8微米，通过三光栅干涉扫描法，提取出三束相位相差120度，周期为8微米正弦波的电流信号后经过本发明的电子学细分方法，将周期为8微米正弦波细分8192份，最终得到分辨率约为0.97纳米的光栅尺。
分辨率能够达到纳米级的干涉式光栅尺，是一种高精密位移传感器，是纳米级分辨率运动平台的首选测量工具。可以广泛应用在高精密或微位移运动平台中，其精度等级直接决定了设备的精度等级。
现在国内主要的细分方法是利用相位相差90度的两路正余弦波细分，暂无很好的方法能将三束相位相差120度的正弦波细分。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种正弦波细分方法，具体针对三束相位相差120度的正弦波信号的特点进行分析，设计出满足干涉式光栅尺技术要求的细分系统，实现对三束相位相差120度的正弦波的细分。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种正弦波细分方法，所述正弦波细分方法包括步骤：
S1、通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号；S2、通过处理电路将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号，获得所述三束相差120度的正弦波电流信号的实时幅值的数字信息；S3、通过所述处理电路对所述数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值。
优选的，所述三光栅干涉扫描法包括步骤：
S11、进行干涉扫描，在光波穿过扫描掩膜时，将光波衍射为光强相近的初始三束光，所述初始三束光包括+1光束、0光束和-1光束；
S12、所述+1光束和所述-1光束在所述扫描掩膜的相位光栅处再次相遇时，被衍射和干涉，形成中间三束光，所述中间三束光以不同的角度离开所述扫描掩膜；
S13、通过光电池将离开所述扫描掩膜的所述中间三束光的光强转化成三束电流信号。
优选的，所述处理电路包括前端电流放大模块、电压整形放大模块、AD采集模块、比较器鉴幅模块、中央处理器模块以及串口数据输出模块。
优选的，所述前端电流放大模块用于所述三束相差120度的正弦波电流信号放大至少十倍。
优选的，所述电压整形放大模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号的信号幅值调整至对称。
优选的，所述AD采集模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号。
优选的，所述比较器鉴幅模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号鉴幅成等周期的方波信号，提供干涉式光栅尺行程中的大位移距离计数。
优选的，所述中央处理器模块用于对所述数字信息在六个象限内进行计算细分。
优选的，所述三束相差120度的正弦波电流信号中，同一个周期的三束正弦波信号与信号的对称轴有六个相交点，以所述六个相交点为基准分成六个象限。
优选的，所述AD采集模块采集的所述三束相差120度的正弦波电流信号，通过所述中央处理器判断三束相差120度的正弦波电流信号所在对称轴的方向，从而定位正弦波电流信号所处象限。
本发明提供的正弦波细分方法，基于干涉式光栅尺的三光栅干涉扫描法输出三束相差120度正弦波的特点，通过具体涉及的电路处理和计算，每三束正弦周期都可以通过反正切插值运算细分，平均等分成8192份，从而达到很高的分辨率。将干涉式光栅尺的分辨率从8微米提高到0.97纳米，精度提高到纳米级。并且以数字形式输出，大大提高了干涉式光栅尺的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的流程图。
图2是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中处理电路的功能框图。
图3是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中处理电路的原理图。
图4是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的AD采集模块示意图。
图5是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的AD采集模块中最小系统原理图。
图6是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的正弦波测试图。
图7是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的相位差120度的李萨育相位图。
图8是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中AD采集模块采集后的正弦信号示意图。
图9是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的三束相差120度的正弦波原理示意图。
图10是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中正弦波周期内8192等分示意图。
图11是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中的坐标转换图形。
图12是根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中代码校正码道关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种正弦波细分方法，所述正弦波细分方法包括步骤：
S1、通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号；S2、通过处理电路将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号，获得所述三束相差120度的正弦波电流信号的实时幅值的数字信息；S3、通过所述处理电路对所述数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值。
具体实施方式中，所述三光栅干涉扫描法包括步骤：
S11、进行干涉扫描，在光波穿过扫描掩膜时，将光波衍射为光强相近的初始三束光，所述初始三束光包括+1光束、0光束和-1光束；
S12、在被光栅尺衍射的光波中，在反射的衍射光中，光强最强的光束为+1光束和-1光束，所述+1光束和所述-1光束在所述扫描掩膜的相位光栅处再次相遇时，再一次被被衍射和干涉，形成中间三束光，所述中间三束光以不同的角度离开所述扫描掩膜；
S13、通过光电池将离开所述扫描掩膜的所述中间三束光的光强转化成三束电流信号。
如图6所示，为通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号的正弦波测试图，即正弦波模拟信号波形。如图7所示，为根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的相位差120度的李萨育相位图，从图中可以看出实际波形和相位形状。
干涉式光栅尺的细分精度取决于模数AD转换的分辨率和正弦信号的质量。如图2和图3所示，为根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中处理电路的功能框图和原理图，从图中可以看出，本发明具体实施方式中，处理电路包括前端电流放大模块、电压整形放大模块、AD采集模块、比较器鉴幅模块、中央处理器模块以及串口数据输出模块。其中，串口数据输出模块主要用于为上位机提供数字角度信息及速度信息。
具体实施方式中，前端电流放大模块用于所述三束相差120度的正弦波电流信号放大至少十倍，由于三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号较弱，通过电流信号放大，从而保证电流信号质量。
电压整形放大模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号的信号幅值调整至对称，具体可调整到为以2.5V对称的，0V至5V的电压信号，保证各路精码信号幅值一致性，精码信号对称性。消除精码信号的共模量，满足AD转换模块的模拟输入信号幅值要求。
如图3所示，前端电流放大模块和电压整形放大模块的电流放大电路和整形放大电路实现方案，优选采用OP27单路放大器，能够结合低偏移和漂移的高速，低噪声，实现高精密放大。
比较器鉴幅模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号鉴幅成等周期的方波信号，提供干涉式光栅尺行程中的大位移距离计数。中央处理器模块则主要用于对所述数字信息在六个象限内进行计算细分。AD采集模块主要用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号，为中央处理器模块计算细分提供基础。如图4和图5所示，分别为根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的AD采集模块示意图和最小系统原理图，具体的，AD采集模块采用MAX1308 AD转换器，其分辨率为12位，可以8通道同时采保，实现快速转换，具体转换时间为8通道1.98us。
如图8所示，为根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中AD采集模块采集后的正弦信号示意图，即经过AD采集模块将模拟的电流信号转换成数字信号后的数字数据图，从图中可以看出，模拟信号电压幅值对应的数字值。
具体实施方式中，如图9所示，为根据本发明实施例提供的正弦波细分方法的三束相差120度的正弦波原理示意图，从图中可以看出，经过处理电路中的AD采集模块采集后，获得三束相位相差120度的正弦波信号的实时幅值的数字信息，通过处理电路中的中央处理器模块对数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值。具体实施方式中，中央处理器模块可以采用各种能够实现其相应的细分插值算法运算功能的微处理器，具体可以将获得的数字信息输入到SILICON公司的微处理器C8051F021上，操作系统为Windows XP，开发系统为Silicon Laboratories IDE 3.20、Keil、μVision2、U-EC5编程器，使用C语言编程进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值。
具体实施方式中，如图10所示，根据本发明实施例提供的正弦波细分方法中正弦波周期内8192等分示意图，图中字符Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ代表的是象限，数字代表的是细分的份数。利用三束相位相差120度的正弦波的自身特点，三束相差120度的正弦波电流信号中，同一个周期的三束正弦波信号与信号的对称轴有六个相交点，以这六个相交点为基准分成六个象限。AD采集模块采集的所述三束相差120度的正弦波电流信号，通过中央处理器判断三束相差120度的正弦波电流信号所在对称轴的方向，从而定位正弦波电流信号所处象限。
具体的通过中央处理器进行判断的判断依据包括：通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号波形分别如图9和图10中所示的A波形，B波形，C波形。如图10所示，A，B波形都大于0X800的数据，C波形小于0X800的数据为第Ⅰ象限。A波形数据大与0X800的数据，B，C波形小于0X800的数据，为第Ⅱ象限。A，C波形都大与0X800的数据，B波形小于0X800的数据，为第Ⅲ象限。B波形都大于0X800的数据，A，C波形小于0X800的数据，为第Ⅳ象限。B，C波形都大于0X800的数据，A波形小于0X800的数据，为第Ⅴ象限。A，C波形都大于0X800的数据，B波形小于0X800的数据，为第Ⅵ象限。
通过上述方法判断此刻的象限后，把大于0X800的数据，通过与0X7FF数据进行与运算指令，是数据向下平移，如图11所示，通过公式计算进行坐标转换，具体的，使满足计算函数要求后，带入正切函数与反正切函数求得一个正弦波周期内的角度信息，通过函数进行计算。
函数Arctan运算如公式1所示
X＝Arctan(Sin(X)/Cos(X)) (1)
X代表三角函数周期内的角度值，SinX，CosX为AD采集模块采集的正弦信号的幅值。
通过处理电路中的比较器鉴幅电路模块，将正弦波信号鉴幅成等周期的方波信号后，记录为干涉式光栅尺行程中的大位移距离大数，细分后的单周期内的角度数据，与大数据拟合，校正后可以得到光栅尺在此刻更高分辨率的位置数据。
具体与大数据拟合，校正的原理包括：根据奇偶判别原理，有如图12所示代码校正码道关系图。图中B0为细分精码最高位分辨率，B1为校正控制码。它们的周期相等，相位错开四分之一周期。F为校正码，它使各个位置满足相同的校正条件。Xm为被校正的大数最低分辨率，Xm与F周期相同，相位错开四分之一周期。当Xm没有发生偏差时，任何位置B0，F,Xm模值相加之和均为偶数；如果发生偏差,B0、F、Xm模值相加之和将为奇数，相应的要对Xm进行加1或减1校正，校正关系式如下：
∑B0XmF＝偶数时不校正；
∑B0XmF＝奇数且B1＝0时：B0＝1，减一校正；B0＝0，加一校正。
校正只有在B1＝0时才能进行，如果Xm的变换范围超过这个区间就不能校正，因此Xm的校正范围是B1周期的四分之一。
通过处理电路中的中央处理器模块对数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值，即实现对正弦波的细分。
本发明提供的正弦波细分方法，基于干涉式光栅尺的三光栅干涉扫描法输出三束相差120度正弦波的特点，通过具体涉及的电路处理和计算，每三束正弦周期都可以通过反正切插值运算细分，平均等分成8192份，从而达到很高的分辨率。将干涉式光栅尺的分辨率从8微米提高到0.97纳米，精度提高到纳米级。并且以数字形式输出，大大提高了干涉式光栅尺的可靠性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种正弦波细分方法，其特征在于，所述正弦波细分方法包括步骤：
S1、通过三光栅干涉扫描法提取三束相差120度的正弦波电流信号；
其中所述S1包括如下子步骤：
S11、进行干涉扫描，在光波穿过扫描掩膜时，将光波衍射为光强相近的初始三束光，所述初始三束光包括+1光束、0光束和-1光束；
S12、所述+1光束和所述-1光束在所述扫描掩膜的相位光栅处再次相遇时，被衍射和干涉，形成中间三束光，所述中间三束光以不同的角度离开所述扫描掩膜；
S13、通过光电池将离开所述扫描掩膜的所述中间三束光的光强转化成三束电流信号；
S2、通过处理电路将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号，获得所述三束相差120度的正弦波电流信号的实时幅值的数字信息；
S3、通过所述处理电路对所述数字信息在六个象限内进行细分插值算法运算，得到细分后的连续的数字二进制角度位置值；
中央处理器模块用于对所述数字信息在六个象限内进行计算细分；
所述三束相差120度的正弦波电流信号中，同一个周期的三束正弦波信号与信号的对称轴有六个相交点，以所述六个相交点为基准分成六个象限；
AD采集模块采集的所述三束相差120度的正弦波电流信号，通过所述中央处理器判断三束相差120度的正弦波电流信号所在对称轴的方向，从而定位正弦波电流信号所处象限。
2.如权利要求1所述的正弦波细分方法，其特征在于，所述处理电路包括前端电流放大模块、电压整形放大模块、AD采集模块、比较器鉴幅模块、中央处理器模块以及串口数据输出模块。
3.如权利要求2所述的正弦波细分方法，其特征在于，所述前端电流放大模块用于所述三束相差120度的正弦波电流信号放大至少十倍。
4.如权利要求2所述的正弦波细分方法，其特征在于，所述电压整形放大模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号的信号幅值调整至对称。
5.如权利要求2所述的正弦波细分方法，其特征在于，所述AD采集模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号转换为数字信号。
6.如权利要求2所述的正弦波细分方法，其特征在于，所述比较器鉴幅模块用于将所述三束相差120度的正弦波电流信号鉴幅成等周期的方波信号，提供干涉式光栅尺行程中的大位移距离计数。
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