专利名称：基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及精密位移測量中的光栅莫尔条纹细分方法和精密位移測量装置，提出了一种可达到纳米分辨カ的光栅莫尔条纹高倍细分方法。
背景技术：
光栅莫尔条纹细分及位移測量
国外研究条纹及其在光栅传感器中应用最知名机构是德国HEIDENHAIN，其高品质技术和产品是在精湛的光刻エ艺、优质材料和先进的实验生产条件基础上实现的，其产品已达纳米级，但对国内禁售。英国RENISHAW也是国际上具有影响カ的光栅数显企业，其研制的创新非接触式光学结构的光栅系统在实现精确测量、高分辨カ和零机械磁滞的同时有很强的抗污能力。日本MITUT0Y0、西班牙FAG0R、美国microE等也是世界著名光栅尺和数显制造商。目前国外产品垄断着市场。国内研究主要是在提高刻线密度、光学细分、电子细分三·个方面。在提高光刻エ艺方面国家支持的重大科研装备研制项目“大型高精度衍射光栅刻划系统”目标是实现大尺寸高精密的刻划，打破国外的垄断和限制。在光学细分方面主要包括二次莫尔条纹信号细分、等腰闪耀光栅的光学细分、合成波长条纹细分等方法。光刻法和光学细分法造价昂贵，细分数和量程提高空间有限。在电子细分方面主要包括动态跟踪细分、CMOS、CCD细分、神经网络细分、锁相细分等。目前电子细分方法存在的主要问题是高细分、高速度、大量程之间的矛盾问题。因此需要提高有效的细分数，有效的细分方法是在获得高细分的同时还要实现高速度。

发明内容
发明目的本发明提供一种基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法，其目的是解决以往的方法效果不理想的问题。技术方案本发明专利是通过以下技术方案来实现的
基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法，其特征在于利用光栅传感器同一时刻输出的少量的空间信号确定某ー时刻光栅的位置，两次相邻时刻的位置差累加后获得位移；采用高精度高速度同歩数据采集系统和基于空间少量点的细分算法获得高分辨カ的高倍细分，该方法的步骤如下
①莫尔条纹空间信号采集ー种方法是直接采集光栅传感器输出的四路信号，另外还可以增加空间光电管数量或采用CCD或CMOS替代光电管提高空间点数和空间分辨力；设光栅莫尔条纹间距为L，则该条纹在频率域中的基频为
2π
0—-
L
由采样定理可知，要使采样后莫尔条纹信号的频谱不发生混叠，则要求条纹的空间采样频率满足下式F 2
fs> —
L
因此在ー个莫尔条纹信号周期之内至少放置两个光电管以保证采样后莫尔条纹的频谱不发生混叠；
②、莫尔条纹时间信号采集
对莫尔条纹信号进行时域采集首先采用仪器放大器和滤波器对信号去噪、抗混叠滤波处理，然后搭建高速高精度同歩数据采集系统同时采集传感器输出的莫尔条纹信号，采用基于FPGA的SOPC对采集系统进行控制、实现细分算法；采集的幅值分辨カ决定空间位置的精度，采集的速度决定两次位置差的精度即位移的分辨力，根据实际的精度和速度的要求与应用场合，可以选择不同的AD，指标计算如下
针对栅距20um，跟踪速度为2m/s的常用传感器，对应信号的最高输出频率为ΙΟΟΚΗζ，采用250MHz的16位AD，可达到纳米级分辨力，对应的细分数为2500，提高采样速度、选择高质量传感器和低指标要求时将进一歩提高细分数和分辨カ；
③某ー时刻的空间位置确定一个空间周期的莫尔条纹近似正弦型分布，利用空间四点拟合莫尔条纹正弦信号，然后通过其初相值可确定出任意时刻的位置值^。方法一
设空间四点的坐标为(xl, yl)、(x2, y2)、(x3, y3)、(x4, y4),拟合的正弦信号为
权利要求
1.基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法，其特征在于利用光栅传感器同一时刻输出的少量的空间信号确定某ー时刻光栅的位置，两次相邻时刻的位置差累加后获得位移；采用高精度高速度同歩数据采集系统和基于空间少量点的细分算法获得高分辨カ的高倍细分，该方法的步骤如下 ①莫尔条纹空间信号采集ー种方法是直接采集光栅传感器输出的四路信号，另外还可以增加空间光电管数量或采用CCD或CMOS替代光电管提高空间点数和空间分辨力；设光栅莫尔条纹间距为L，则该条纹在频率域中的基频为
2.权利要求I的基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法所专用的设备，其特征在于该设备包括光栅传感器、仪器放大器、抗混叠滤波器、模数转换器和基于FPGA的SOPC系统；光栅传感器连接至仪器放大器，仪器放大器连接至抗混叠滤波器，抗混叠滤波器连接至模数转换器，模数转换器连接至基于FPGA的SOPC系统。
3.根据权利要求2所述的基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法所专用的设备，其特征在于该设备还包括键盘和显示单元，键盘和显示单元连接至基于FPGA的SOPC系统。
4.根据权利要求3所述的基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分方法所专用的设备，其特征在于基于FPGA的SOPC系统内设置有并行数据采集単元、并行数据处理単元和同步控制脉冲单元；同步控制脉冲单元分别连接至并行数据采集単元、并行数据处理単元和模数转换器，模数转换器连接至并行数据采集単元，并行数据处理单元连接键盘和显示单元
全文摘要
本发明公开了一种基于少量空间点的莫尔条纹高倍细分新方法，可以应用在大量程位移快速精密测量、定位与控制中。在某一时刻利用光栅传感器输出的四路空间信号确定光栅的位置，两次相邻时刻的位置差累加获得总位移。采用高精度高速度数据采集系统和空间少量点细分算法获得高分辨力的高倍细分。该方法充分利用空间莫尔条纹周期性、正弦性的特点，并采用FPGA实现算法，具有运算量小、速度快、细分数高等特点，可解决光栅大量程精密位移测控中高分辨力、高速度、大量程之间的矛盾问题。
文档编号G01B11/02GK102679888SQ201210178439
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者常丽 申请人:沈阳工业大学