《光栅莫尔条纹小波细分方法及光栅位移测量装置.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光栅莫尔条纹小波细分方法及光栅位移测量装置.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103604373 A (43)申请公布日 2014.02.26 CN 103604373 A (21)申请号 201310591091.6 (22)申请日 2013.11.20 G01B 11/02(2006.01) (71)申请人 沈阳工业大学 地址 110870 辽宁省沈阳市经济技术开发区 沈辽西路 111 号 (72)发明人 常丽 (74)专利代理机构 沈阳智龙专利事务所 ( 普通 合伙 ) 21115 代理人 宋铁军 周智博 (54) 发明名称 光栅莫尔条纹小波细分方法及光栅位移测量 装置 (57) 摘要 本发明提供了一种光栅莫尔条纹细分方法和 装置， 属于。
2、光栅位移测量领域。 光栅传感器具有量 程大、 适应环境能力强、 成本低等优势， 广泛应用 在精密位移测量、 数显数控、 大行程精密定位、 精 密加工和微电子等行业中。目前各行业对光栅位 移测量提出了大量程纳米级等更高要求。当光栅 传感器运行时， 光栅传感器的输出波形非常复杂。 光栅传感器在测量过程不一定是匀速运行， 特别 是启动、 停止和换向的过程中， 信号具有随机性。 根据光栅信号的随机性提出了小波细分法， 对光 栅输出的四路莫尔条纹信号进行高速高精度同步 数据采集， 在对光栅信号进行等幅放大、 非正交校 正预处理之后， 进行小波调相和提取相位处理， 最 后转换成位移。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103604373 A CN 103604373 A 1/2 页 2 1. 一种光栅莫尔条纹细分方法， 其特征在于 ： 光栅莫尔条纹小波细分方法是将光栅传 感器的信号经过同步采集、 校正处理之后， 调制小波基的相位， 再对调制后的信号进行小波 变换， 通过脊最大对应的相位得到光栅位移值 ； 该方法的步骤如下 ： 对光栅传感器输出的 四路信号进行同步、 高速、 高精度数据采集， 对采集的信号进行小波滤波和等幅放大处理 ；。
4、 利用四路同步模数转换器采集光栅传感器输出的四路信号 ： 对信号分别进行等幅值放大， 经过处理后输出四路信号为 ： 以第一路信号 Us(x) 为基准， 对其它信号依次进行校正 ； 光栅传感器内置的四个光电管之间的距离是固定的， 因此对应输出信号的相位差也是 固定的， 这样通过测出其相位差就可对四路信号的非正交进行校正， 使得校正后的四路信 号依次正交 ； 设 Us(x) 与 Uc(x) 实际相位差为 ， 其与 90的差值为因此两路信号可以表 示为 ： 其中， Ucos 是要求的与 Us(x) 正交的信号， 也就是校正后的信号， 设校正后信号为 Uc (x)， 则 ： 这样 Uc (x) 和 U。
5、s(x) 是正交的， 实现了非正交校正 ； 同理可实现其它两路信号校正， 经过相位正交化处理后的四路信号为 ： 进行小波调相 由非正交校正后的两路光栅信号构成复数 ： U(x)=Uc(x)+jUs(x)， 与小波基函数相乘， 小 波基函数可以任选， 现以复 Shannon 小波基函数为例， 光栅传感器输出信号调制复 Shannon 小波基函数就是将输出信号与小波基相乘， 调制后信号的表达式为 ： 权 利 要 求 书 CN 103604373 A 2 2/2 页 3 其中， 为小波基的初相 ； 进行小波鉴相 (6) 式表明光栅位移调制到了小波基的相位上， 用复 Shannon 小波基以频率 fc。
6、对应 的尺度 ac对调相信号和小波基本身分别进行变换， 由脊最大可获得调相信号的初相值 +2x/d+s和小波基本身的初相值 ， 则两次相邻时刻的相位差为 ： 求取位移 两次相邻时刻的位移值为 ： 由 x 的正负可以判断光栅的运动方向， 实际总的位移为 ： x x (9)。 2. 根据权利要求 1 所述的光栅莫尔条纹细分方法， 其特征在于 ：“” 步骤中不需要根 据不同应用场合的特性重新选择小波基函数， 复小波基函数可以任选。 3. 一种实施权利要求 1 所述的光栅莫尔条纹细分方法的光栅位移测量装置， 其特征在 于 ： 该装置包括光栅传感器， 四路同步模数转换器、 小波滤波器、 放大器、 非正交。
7、校正器、 小 波基函数发生器、 乘法器、 小波鉴相器、 微处理器、 显示器、 键盘 ； 光栅传感器连接四路同步 模数转换器， 四路同步模数转换器连接小波滤波器， 小波滤波器连接放大器、 放大器连接非 正交校正器， 非正交校正器连接乘法器， 乘法器连接小波基函数发生器和小波鉴相器， 小波 鉴相器连接微处理器， 微处理器连接显示器和键盘。 权 利 要 求 书 CN 103604373 A 3 1/5 页 4 光栅莫尔条纹小波细分方法及光栅位移测量装置 技术领域 ： 0001 本发明专利主要涉及一种光栅莫尔条纹细分方法及位移测量装置。 背景技术 ： 0002 光栅传感器具有量程大、 适应环境能力强、。
8、 成本低等优势， 广泛应用在精密位移测 量、 数显数控、 大行程精密定位、 精密加工和微电子等行业中。 0003 随着超精加工和超微加工进入了纳米技术的新时代， 对微小位移量及微小物体几 何形状测量的要求已不再局限于微米、 亚微米量级， 而是达到了纳米、 亚纳米量级。目前各 行业对光栅位移测量提出了大量程纳米级等更高要求。 0004 莫尔条纹细分是提高光栅位移测量的关键， 通过电子细分技术提高光栅位移测量 精度有更大的空间， 也是研究的热点， 目前已经提出了多种细分方法， 国内外莫尔条纹细分 法主要集中在光学法和电子法， 现有方法存在的主要问题有 ： 对信号波形质量要求高、 速度 慢、 量程小。
9、、 环境影响大、 误差分离与修正困难等诸多问题， 开发新的细分方法是一个亟待 解决的问题。 发明内容 ： 0005 发明目的 ： 0006 本发明提供一种光栅莫尔条纹细分方法及光栅位移测量装置， 其目的是解决以往 的方式所存在的对信号波形质量要求高、 速度慢、 量程小、 环境影响大、 误差分离与修正困 难等诸多问题。 0007 技术方案 ： 本发明专利是通过以下技术方案来实现的。 0008 一种光栅莫尔条纹细分方法， 其特征在于 ： 光栅莫尔条纹小波细分方法是将光栅 传感器的信号经过同步采集、 校正处理之后， 调制小波基的相位， 再对调制后的信号进行小 波变换， 通过脊最大对应的相位得到光栅位。
10、移值 ； 该方法的步骤如下 ： 对光栅传感器输出 的四路信号进行同步、 高速、 高精度数据采集， 对采集的信号进行小波滤波和等幅放大处 理 ； 0009 利用四路同步模数转换器采集光栅传感器输出的四路信号 ： 0010 0011 对信号分别进行等幅值放大， 经过处理后输出四路信号为 ： 说 明 书 CN 103604373 A 4 2/5 页 5 0012 0013 以第一路信号 Us(x) 为基准， 对其它信号依次进行校正。 0014 光栅传感器内置的四个光电管之间的距离是固定的， 因此对应输出信号的相位差 也是固定的， 这样通过测出其相位差就可对四路信号的非正交进行校正， 使得校正后的四 。
11、路信号依次正交 ； 0015 设 Us(x) 与 Uc(x) 实际相位差为 ， 其与 90的差值为因此两路信号可 以表示为 ： 0016 0017 其中， Ucos 是要求的与 Us(x) 正交的信号， 也就是校正后的信号， 设校正后信号 为 Uc (x)， 则 ： 0018 0019 这样 Uc (x) 和 Us(x) 是正交的， 实现了非正交校正。同理可实现其它两路信号 校正， 经过相位正交化处理后的四路信号为 ： 0020 0021 进行小波调相 0022 由非正交校正后的两路光栅信号构成复数 ： U(x)=Uc(x)+jUs(x)， 与小波基函数相 乘， 小波基函数可以任选， 现以复 。
12、Shannon 小波基函数为例， 光栅传感器输出信号调制复 Shannon 小波基函数就是将输出信号与小波基相乘， 调制后信号的表达式为 ： 0023 0024 其中， 为小波基的初相 ； 0025 进行小波鉴相 0026 (6) 式表明光栅位移调制到了小波基的相位上， 用复 Shannon 小波基以频率 fc对 应的尺度 ac对调相信号和小波基本身分别进行变换， 由脊最大可获得调相信号的初相值 +2x/d+s和小波基本身的初相值 ， 则两次相邻时刻的相位差为 ： 0027 0028 求取位移 说 明 书 CN 103604373 A 5 3/5 页 6 0029 两次相邻时刻的位移值为 ： 。
13、0030 0031 由 x 的正负可以判断光栅的运动方向， 实际总的位移为 ： 0032 x x (9) 0033 “” 步骤中不需要根据不同应用场合的特性重新选择小波基函数， 复小波基函数 可以任选。 0034 一种实施上述的光栅莫尔条纹细分方法的光栅位移测量装置， 其特征在于 ： 该装 置包括光栅传感器， 四路同步模数转换器、 小波滤波器、 放大器、 非正交校正器、 小波基函数 发生器、 乘法器、 小波鉴相器、 微处理器、 显示器、 键盘 ； 光栅传感器连接四路同步模数转换 器， 四路同步模数转换器连接小波滤波器， 小波滤波器连接放大器、 放大器连接非正交校正 器， 非正交校正器连接乘法器。
14、， 乘法器连接小波基函数发生器和小波鉴相器， 小波鉴相器连 接微处理器， 微处理器连接显示器和键盘。 0035 优点及效果 ： 0036 莫尔条纹光强与栅距、 指示光栅和标尺光栅之间的距离、 标尺光栅和光电转换器 之间的距离等因素有直接关系， 当光栅传感器运行时， 这些影响因素是变化的， 因此光栅传 感器的输出波形非常复杂。 光栅传感器在测量过程不一定是匀速运行， 特别是启动、 停止和 换向的过程中， 信号具有随机性。 本发明采用小波细分莫尔条纹信号， 符合莫尔条纹的动态 随机性。 0037 小波法细分法可以解决传统的傅里叶、 三角函数等细分方法要求信号质量过高的 问题， 并且可解决随机性问题。
15、， 小波法细分法具有以下优势 ： 0038 (1) 通过调制解决了在不同的应用场合重新选择小波基的问题， 具有较强的实用 价值。 0039 (2) 调制小波基的方法可以使小波变换的结果达到最优， 因为调制的小波基和小 波基在变换的过程中可获得最大的相似性， 能够进一步提高测量的准确性。 0040 (3) 调制相位属于相位细分， 比幅值细分法具有更好的抗干扰性。 0041 (4) 直接对光栅信号进行小波变换， 在换向处的光栅波形具有奇异性， 小波变换确 定的相位精度低， 不能实现准确的辨向。 通过调制提高了相位的测量精度， 由相位差可以实 现准确的辨向。 附图说明 ： 0042 图 1 为测量装。
16、置 ； 0043 图2为非正交校正图 ； 图2-1为非正交校正前的相邻两路信号之间的李萨育图形 ； 图 2-2 为非正交校正后的相邻两路信号之间的李萨育图形 ； 0044 图 3 为测量装置的流程图。 0045 具体实施方式 ： 下面结合附图对本发明专利做进一步的描述 ： 0046 一种光栅莫尔条纹细分方法， 光栅莫尔条纹小波细分方法是将光栅传感器的信号 经过同步采集、 校正处理之后， 调制小波基的相位， 再对调制后的信号进行小波变换， 通过 脊最大对应的相位得到光栅位移值 ； 该方法的步骤如下 ： 对光栅传感器输出的四路信号进 说 明 书 CN 103604373 A 6 4/5 页 7 行。
17、同步、 高速、 高精度数据采集， 对采集的信号进行小波滤波和等幅放大处理 ； 0047 利用四路同步模数转换器采集光栅传感器输出的四路信号 ： 0048 0049 对信号分别进行等幅值放大， 经过处理后输出四路信号为 ： 0050 0051 以第一路信号 Us(x) 为基准， 对其它信号依次进行校正。 0052 光栅传感器内置的四个光电管之间的距离是固定的， 因此对应输出信号的相位差 也是固定的， 这样通过测出其相位差就可对四路信号的非正交进行校正， 使得校正后的四 路信号依次正交 ； 0053 设 Us(x) 与 Uc(x) 实际相位差为 ， 其与 90的差值为因此两路信号可 以表示为 ： 。
18、0054 0055 其中， Ucos 是要求的与 Us(x) 正交的信号， 也就是校正后的信号， 设校正后信号 为 Uc (x)， 则 ： 0056 0057 这样 Uc (x) 和 Us(x) 是正交的， 实现了非正交校正。同理可实现其它两路信号 校正， 经过相位正交化处理后的四路信号为 ： 0058 0059 进行小波调相 0060 由非正交校正后的两路光栅信号构成复数 ： U(x)=Uc(x)+jUs(x)， 与小波基函数相 乘， 小波基函数可以任选， 现以复 Shannon 小波基函数为例， 光栅传感器输出信号调制复 Shannon 小波基函数就是将输出信号与小波基相乘， 调制后信号的。
19、表达式为 ： 0061 说 明 书 CN 103604373 A 7 5/5 页 8 0062 其中， 为小波基的初相 ； 0063 进行小波鉴相 0064 (6) 式表明光栅位移调制到了小波基的相位上， 用复 Shannon 小波基以频率 fc对 应的尺度 ac对调相信号和小波基本身分别进行变换， 由脊最大可获得调相信号的初相值 +2x/d+s和小波基本身的初相值 ， 则两次相邻时刻的相位差为 ： 0065 0066 求取位移 0067 两次相邻时刻的位移值为 ： 0068 0069 由 x 的正负可以判断光栅的运动方向， 实际总的位移为 ： 0070 x x (9) 0071 “” 步骤中。
20、不需要根据不同应用场合的特性重新选择小波基函数， 复小波基函数 可以任选。 0072 如图 1 所示为光栅位移测量装置， 该装置包括光栅传感器， 四路同步模数转换器、 小波滤波器、 放大器、 非正交校正器、 小波基函数发生器、 乘法器、 小波鉴相器、 微处理器、 显 示器、 键盘 ； 光栅传感器连接四路同步模数转换器， 四路同步模数转换器连接小波滤波器， 小波滤波器连接放大器、 放大器连接非正交校正器， 非正交校正器连接乘法器， 乘法器连接 小波基函数发生器和小波鉴相器， 小波鉴相器连接微处理器， 微处理器连接显示器和键盘。 光栅传感器连接至四路同步模数转换器， 其转换的结果经过小波滤波器去除。
21、噪声后由放大 器进行幅放大， 再对放大的信号进行非正交校正， 选取校正效果较好的两路信号通过乘法 器与小波基函数相乘进行相位调制， 小波鉴相器的作用是提取光栅相位信号， 微处理器的 作用是进行位移计算并将结果送入显示， 键盘连接至微处理器， 实现参数的设置和修改。 0073 如图 2 所示为非正交校正波形图， 图 2-1 为非正交校正前的相邻两路信号之间的 李萨育图形， 明显地表明光栅传感器输出的四路信号并不是正交的。正交性直接影响小波 细分法的精度， 因此必须进行非正交校正， 因为光栅传感器内置的四个光电管之间的距离 是固定的， 因此对应输出信号的相位差也是固定的， 这样通过测出其相位差就可。
22、对四路信 号的非正交进行校正， 使得校正后的四路信号依次正交。图 2-2 为非正交校正后的相邻两 路信号之间的李萨育图形， 表明正交性明显变好， 在四组信号中选取校正效果最好的一组 进行小波细分处理。进一步提高位移的测量精度。 0074 如图 3 所示为测量装置的软件流程图， 基于图 1 的测量装置， 在进行测量的过程 中首先启动模数转换器同步采集光栅传感器输出的四路信号， 然后等待转换完成后读取数 据， 对数据进行小波变换， 根据脊最大提取相位值， 通过标度变换转换成位置值， 再与上一 时刻的位置值做差， 得到实时的位移值， 对实时的位移值进行累加得到实际的位移值。 说 明 书 CN 103604373 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2-1 图 2-2 说 明 书 附 图 CN 103604373 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103604373 A 10 。