CN1904546A - 一种位置检测信号的细分装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位置检测信号的细分装置，包括线光源激光器、光靶、CCD、信号处理器和二个光学扫描振镜；二个振镜的转动轴在同一平面内平行放置，其反射面相对放置，法线方向与两光学扫描振镜转动轴所在平面成45°角；线光源激光器的线状出射激光束垂直于两个扫描振镜的旋转轴所在平面，线状激光束射向振镜的反射面且通过其旋转轴线；光靶位于与两振镜的旋转轴线所在平面平行的平面内，CCD位于光靶的另一侧，并与两个振镜的旋转轴所在平面平行；信号处理器与CCD相连，用于获取CCD的信号并进行数据处理。本发明结合四倍频细分电路，可以实现对一个周期内的位置检测信号的高倍细分，从而提高位置检测装置的分辨力和测量精度。

Description

一种位置检测信号的细分装置

技术领域

本发明属于位置检测技术领域，具体涉及一种位置检测信号的细分装置，特别是能对运动执行部件的位置检测信号进行高倍细分的装置。

背景技术

位置检测装置主要用于直线位移和角位移的测量，是数控机床、精密测量仪器和机器人系统的重要组成部分。尤其在闭环数控机床中，其加工精度在很大程度上由位置检测系统的精度决定。位置检测装置有旋转变压器、感应同步器、光栅位置检测装置、磁尺位置检测装置和脉冲编码器等形式，其输出的位置检测信号多为两路正弦和余弦信号。

为提高位置检测装置的分辨力和检测精度，在现有位置检测装置的技术条件下，人们对位置检测装置输出信号的细分方法进行了深入的研究。以光栅尺位置检测信号细分为例，莫尔条纹的电子细分法分为幅度调制细分、相位调制细分和锁相倍频细分。幅度调制细分包括四倍频细分、矢量运算细分、移相电阻链细分和幅度分割式电子细分。相位调制细分法包括载波调制法和电子扫描法等。移相电阻链细分和幅度分割式电子细分应用较为广泛，一般用于细分倍数较低的情况下。四倍频细分对信号四倍细分，可实现可逆计数和动、静态测量。四倍频细分的电路简单，对信号无严格要求。四倍频细分法的信号获取法是许多电子细分的基础。

在要求对信号高倍细分，通常采用锁相倍频细分和载波调制细分。锁相倍频细分把锁相技术用于莫尔条纹的细分，采用锁相跟踪倍频器来实现倍频和锁相跟踪，用简单的电路达到高倍细分的目的，但它只能用于动态测量，而且要求光栅速度基本恒定。当光栅运动速度改变使输入信号频率变化超出一定范围时，便会造成锁相电路锁不住相位信号，使细分无法正确进行。载波调制细分用一组辅助交流载波信号对两路输入信号进行调制，调制后的两路信号相加后经鉴零整形，与标准正弦信号送到比相器比相，得到与相位角对应的脉宽为H的方波，在脉宽为H的方波中插入高频脉冲，用计数器计下填充的脉冲数即实现了相位细分。但它对信号的质量要求相当严格，并且由于其用鉴相法检测相位再对相位进行细分，所有影响相位的因素都将给细分带来误差。当信号质量不好时，进行高倍细分的实际意义不大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种位置检测信号的细分装置，该细分装置与四倍频细分电路结合，可用于动、静态测量，能够提高位置检测装置的分辨力和测量精度。

本发明提供的一种位置检测信号的细分装置，其特征在于：该装置包括线光源激光器、第一光学扫描振镜、光靶、电荷耦合器、信号处理器和第二光学扫描振镜；第一光学扫描振镜的转动轴O₁和第二光学扫描振镜的转动轴O₂在同一平面内平行放置，第一光学扫描振镜与第二光学扫描振镜的反射面相对放置，且第一光学扫描振镜和第二光学扫描振镜各自初始位置的法线方向平行，法线方向与两光学扫描振镜转动轴所在平面成45°角；线光源激光器的线状出射激光束垂直于两个扫描振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面，线状激光束射向第一光学扫描振镜的反射面且通过其旋转轴线；光靶位于与两振镜的旋转轴线O₁和O₂所在平面平行的平面内，电荷耦合器位于光靶的另一侧，并与两个振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面平行放置；信号处理器与CCD相连，用于获取CCD的信号并进行数据处理。

本发明克服了现有位置检测信号高倍细分装置的缺点，如锁相倍频细分只能用于动态测量且要求运动速度基本恒定；载波调制细分用鉴相法检测相位，但对信号质量要求严格。本发明采用线光源激光器、高速光学扫描振镜和光靶对载波调制后的位置检测信号进行变换，由电荷耦合器获取变换后的光信号在光靶上的偏移位置，再结合四倍频细分法来实现信号的高倍细分。本发明与四倍频细分电路结合，可以实现对一个周期内的位置检测信号的高倍细分，从而提高位置检测装置的分辨力和测量精度。

附图说明

图1为本发明细分装置的结构示意图；

图2为信号处理器的数据处理流程图；

图3为本发明细分装置的一个实例的示意图；

图4为光靶上光点的最大偏移距离D_max与相位角的对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明装置包括线光源激光器1、第一光学扫描振镜2、光靶3、电荷耦合器(CCD)4、信号处理器5和第二光学扫描振镜6。第一光学扫描振镜2的转动轴O₁和第二光学扫描振镜6的转动轴O₂在同一平面内平行放置。第一光学扫描振镜2与第二光学扫描振镜6的反射面相对放置，且第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6各自初始位置的法线方向平行，法线方向与两光学扫描振镜转动轴所在平面成45°角。线光源激光器1的线状出射激光束垂直于两个扫描振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面，线状激光束射向第一光学扫描振镜2的反射面且通过其旋转轴线。将光靶3放置在与两振镜的旋转轴线O₁和O₂所在平面平行的平面内。在顺着光路方向的光靶3的后方，与两个振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面平行的平面内放置CCD4，并使线状的CCD单元方向垂直于振镜的旋转轴方向。CCD4后连接信号信号处理器5，信号处理器5获取CCD4的信号后，结合四倍频细分电路的信号，便可以进行幅度分割式高倍信号细分。

CCD4可以采用线阵CCD或面阵CCD，但以线阵CCD为佳。信号处理器5可以采用单片机或DSP实现。

将位置检测装置的两路正交正余弦输出信号A₁sin和A₁cos，分别用载波信号A₂cosωt和A₂sinωt进行载波调制并相加，得到调制后信号Asin(ωt+)，其中A＝A₁×A₂。将幅值放大的载波信号Asinωt加到第一光学扫描振镜2上，同时将调制信号Asin(ωt+)加到第二光学扫描振镜6上，使两振镜的偏转角度按照各自的输入信号幅值规律变化。线光源激光器发出的线状激光束经第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6反射后射到光靶3上。激光束因第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6的周期性偏转而产生周期性的上下扫描运动，在光靶3上可观察到水平的线状激光束上下高速来回扫描。用CCD4获得光靶3上激光束扫描运动的偏移范围，调整CCD4相对光靶3的位置，使光靶3的光点初始位置以上的光点最大偏移距离D_max区间成像在CCD4的尽可能多的像素上。

若第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6的转角输入信号分别为Asinωt和Asin(ωt+)，转角输入信号的相位相差一个相位角，即为位置检测信号的相位角。经计算可推导如下公式：

$D=d\×\mathrm{tg}\left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)+c\×\frac{\mathrm{tg}(\frac{3}{4}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_2)-\mathrm{tg}2({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1)+2\mathrm{tg}2{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{tg}(\frac{3}{4}\mathrm{\π}+{\mathrm{\θ}}_2)-\mathrm{tg}\left(2{\mathrm{\θ}}_2\right)}$

其中，c为二个光学扫描振镜的转动轴的间距，d为光靶3所在的平面与二个光学扫描振镜的旋转轴线O₁和O₂所在的平面之间距离；D为某一时刻光靶3上光点相对于两振镜初始位置时的光靶3上光点的偏移距离，θ₁＝Asinωt，θ₂＝Asin(ωt+)。光靶3上光点相对于两振镜初始位置时的光点的偏移距离D的最大值D_max与相位角在[0：π]和[π：2π]两个区间内成单调函数关系，对CCD4接收到的图像进行处理可得到D_max。由四倍频细分电路获得相位角在0～2π上的区间，信号处理器5根据相位角所在的区间，查找该区间内对D_max-曲线进行幅度分割预先得到的D_max-表，根据单调对应关系得到D_max所对应的相位角，信号细分的倍数由对D_max-曲线进行幅度分割的倍数决定。

第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6的转角输入信号可根据位置检测装置输出信号的不同，分别取为θ₁＝Asinωt且θ₂＝Asin(ωt+)或θ₁＝Acosωt且θ₂＝Acos(ωt+)。对于两振镜的不同角度偏转输入信号θ₁和θ₂，可以根据上述公式得出D_max与相位角在各区间内的单调对应关系，从而得到所对应的相位角。

根据在各相位区间内激光束偏移距离最大值D_max与相位角的单调函数关系，确定当前最大偏移距离D_max所对应的相位角。通过对最大偏移距离D_max的幅度分割式高倍细分，实现位置检测信号的高倍细分。

四倍频细分电路用来实现四倍细分的计数和辨向，并确定当前信号相位角的相位区间，为超高倍细分作准备。本装置根据四倍频细分的结果得到信号相位角的相位区间[0:π]或[π:2π]，并根据该区间上的D_max-表将该区间进行高倍细分。四倍频细分进行半周期的计数，本装置进行半个周期内高倍细分的计数。将四倍频细分的半周期计数和本装置的半周期内的高倍细分的计数结合，便可实现对信号的高倍细分和动、静态测量。

实例：

对光栅尺莫尔条纹信号进行细分，在两光学扫描振镜上加上相应角度偏转信号后，某一时刻的振镜偏转后的光路图如图3所示。第一光学扫描振镜2和第二光学扫描振镜6的转动轴之间的距离为30mm，两光学扫描振镜的转动轴与光靶3之间距离为30mm，第一光学扫描振镜2的宽度为5mm，第二光学扫描振镜6的宽度为50mm。第二光学扫描振镜6上加载波调制后的输出信号kU_msin(ωt+)，第一光学扫描振镜2上加载波信号kU_msinωt。根据上述公式得到光靶3上光点偏离初始位置的最大距离的范围为10.26～38.56mm。线阵CCD4为4096像素(10×5μm，其间距为10μm)，其CCD单元的总长度为40.96mm。将光靶3上光点初始位置以上10.26mm～38.56mm范围的28.30mm长的光点轨迹成像在线阵CCD的中间3000个像素上。考虑到对最大偏移距离幅度分割的细分均匀性调整，可将角所在区间[0:π]或者[π:2π]细分1000倍以上，在的整个区间上便实现了2000倍以上的细分，达到了位置检测信号的高倍细分的目的。

图4所示为光靶3上光束的扫描运动偏离初始位置的距离D与的对应关系，每根竖线表示振镜的两偏转信号相位相差时，在偏转信号变化一个周期的过程中CCD的光点轨迹范围。由图4可知，角在[0:π]和[π:2π]区间上时，光靶3上光点的最大偏移距离D_max与成单调函数关系，因此本细分装置需要与四倍频电路结合来判别的区间，在[0:π]和[π:2π]区间上根据D_max与的单调函数关系对信号进行细分。光靶3上光点的最大偏移距离可以通过调整两光学扫描振镜间的距离c、两光学扫描振镜的旋转轴与光靶3的距离d和加在两光学扫描振镜上的两个角度偏转信号的幅值大小来调整。由于利用对激光光点的最大偏移距离D_max进行幅度分割式细分，为充分利用线阵CCD4的CCD像素以提高测量分辨力，应使光靶上光点的单向最大偏移距离的范围成像在尽可能多的像素上。

在上述实例中在第一光学扫描振镜2上施加角度偏转信号θ₁＝Asinωt，在第二光学扫描振镜6上施加角度偏转信号θ₂＝Asin(ωt+)后，所得到的对应于每个不同相位角，光靶3上光点的的扫描偏移范围。当在第一光学扫描振镜2上施加角度偏转信号θ₁＝Acosωt，在第二光学扫描振镜6上施加角度偏转信号θ₂＝Acos(ωt+)后，由于两角度偏转信号的相位差不变仍为，故光靶3上光点的最大偏移距离D_max与相位角的对应关系亦如图4所示。

Claims (1)

1、一种位置检测信号的细分装置，其特征在于：该装置包括线光源激光器(1)、第一光学扫描振镜(2)、光靶(3)、电荷耦合器(4)、信号处理器(5)和第二光学扫描振镜(6)；第一光学扫描振镜(2)的转动轴O₁和第二光学扫描振镜(6)的转动轴O₂在同一平面内平行放置，第一光学扫描振镜(2)与第二光学扫描振镜(6)的反射面相对放置，且第一光学扫描振镜(2)和第二光学扫描振镜(6)各自初始位置的法线方向平行，法线方向与两光学扫描振镜转动轴所在平面成45°角；线光源激光器(1)的线状出射激光束垂直于两个扫描振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面，线状激光束射向第一光学扫描振镜(2)的反射面且通过其旋转轴线；光靶(3)位于与两振镜的旋转轴线O₁和O₂所在平面平行的平面内，电荷耦合器(4)位于光靶(3)的另一侧，并与两个振镜的旋转轴O₁和O₂所在平面平行放置；信号处理器(5)与电荷耦合器(4)相连，用于获取电荷耦合器(4)的信号并进行数据处理。

Images