專利名稱：大行程光柵納米測量塊及其測量方法
技術領域：
本發明涉及測控領域，尤其是應用于超精密工作臺大行程范圍內的納米測量與定
位控制的測量塊和測量方法，具體為大行程光柵納米測量塊及其測量方法。
背景技術：
光柵作為一種傳統的大尺寸位移測量傳感器，以其靈活的使用條件廣泛應用在工 業計量領域、儀器設備中或生產線上。以往由于在工業環境應用條件下存在諸多干擾，以及 光柵本身存在較大刻線誤差，使得光柵僅能滿足微米級的測量精度要求，相應地對光柵細 分電路的要求也較低。但隨著計量光柵的發展，影響光柵測量精度的刻線誤差已能控制在 納米量級，如100mm長的光柵刻線誤差已能夠控制在士20nm以內，光柵測量精度已經可以 和激光干涉儀測量精度相媲美，光柵與激光干涉儀同作為兩個高精度位移測量裝置，已越 來越多地出現在具有納米級測量精度的三維測量系統中。 光柵與激光干涉儀雖然同為高精度位移測量裝置，但兩者對環境的要求以及對安 裝條件的要求均有很大差別。如激光干涉儀除了對光路布置等安裝條件要求很嚴外，對測 量環境亦有很高的要求，測量環境中的空氣氣壓、溫度、濕度等任何變化，均能導致激光干 涉儀測量精度的下降，從而嚴重限制了激光干涉儀的應用條件和應用場合。與激光干涉儀 不同，光柵除了受溫度的影響外，幾乎不受其他環境因素的影響，且光柵具有測量范圍寬、 結構簡單、體積小、安裝方便等特點。因此，研究大行程光柵納米測量模塊及其測量方法具
有更廣闊的應用前景和應用價值。 目前已有的光柵高精度測量技術，依然擺脫不了光柵辨向電路或辨向算法，如圖3 所示，計數器為辨向計數器，計數器中的計數值N為光柵1/4整周期計數值；細分值A ni為 不足光柵1/4整周期的細分值，最終的測量結果值為計數器中的計數值N與細分值A&之
和。因此，現有技術中，光柵測量精度的高低與光柵所處的測量狀態密切相關。 一般情況 下，單向測量精度高于雙向測量精度，特別是遠高于需要頻繁切換方向的測量精度，這都是
由于光柵辨向電路或辨向算法的辨向分辨率要低于或遠遠低于測量分辨率所致。此外，在 實際測量過程中，各種外界干擾對測量的影響也是難以避免的，因此，帶辨向電路或辨向算 法的光柵細分方法已成為制約光柵在線測量精度進一步提高的瓶頸。
發明內容
本發明的目的是提供一種大行程光柵納米測量塊及其測量方法，以解決傳統的光 柵測量需要光柵辯向電路和辯向算法，光柵的精度受到光柵測量狀態制約的問題。
為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為 大行程光柵納米測量塊，包括有DSP浮點運算芯片及其DSP處理電路，所述DSP處 理電路包括有A/D輸入電路、I/O輸出電路、串口輸出電路，其特征在于還包括有光柵調理 電路、與光柵調理電路輸入端電連接的供外部光柵接入的光柵接口，外部光柵通過光柵接 口將采集到的位移信號傳輸至光柵調理電路，所述光柵調理電路通過所述A/D輸入電路與所述DSP浮點運算芯片電連接，輸出調理后的外部光柵的正弦電壓、余弦電壓和零偏電壓 信號至所述DSP浮點運算芯片；有串行通信接口，所述串行通信接口通過所述串口輸出電 路與所述DSP浮點運算芯片電連接，所述DSP浮點運算芯片的測量數據通過串行通信接口 輸出至外部的上位機；有顯示器通過I/O輸出電路與所述DSP浮點運算芯片電連接，所述 DSP浮點運算芯片的測量數據通過I/O輸出電路在顯示器中顯示。 所述的大行程光柵納米測量塊，其特征在于還包括有引入外部電源的電源接口， 所述電源接口分別與所述DSP浮點運算芯片、光柵調理電路電連接以供電。
所述的大行程光柵納米 TMS320F28335。 所述的大行程光柵納米測
所述的大行程光柵納米測
所述的大行程光柵納米測 將位移信號通過光柵接口傳輸至光 通過所述A/D輸入電路采樣光柵調理電路調理后的外部光柵的正弦電壓、余弦電壓和零偏 電壓信號，采樣得到的采樣值與所述外部光柵的實際位移值相對應；所述采樣值通過DSP 浮點運算芯片處理后得到光柵細分增量值，對光柵細分增量值求算術和得到光柵納米測量 值；所述光柵納米測量值通過DSP浮點運算芯片的I/O 口傳輸至顯示器中顯示，并通過DSP 浮點運算芯片的串行通信接口傳輸至外部上位機中。 本發明在DSP浮點運算芯片中預置有零辨向細分軟件，通過零辯向細分軟件實現 對光柵細分增量值求算術和以達到光柵納米測量的目的。所謂"零辨向"指的就是光柵測 量分辨率與辨向分辨率在納米級和亞納米級上達到了一致，換言之，即光柵納米測量方法 中，既沒有獨立的辨向電路，也沒有獨立的辨向算法。采用本發明測量方法，無需獨立的辨 向計數器，也無需獨立的辨向軟件算法。采用本發明測量方法，當前時刻測量點上的任何細 微干擾影響都會在下一個實時測量點上得以消除。除此之外，本發明測量方法還具有(l) 測量時刻采樣的位移信息與實際位移值對應，即測量點上采樣的位移信息可作為位置反饋 控制信號；(2)能夠實現粗光柵(刻線密度為50線/mm)納米分辨率的測量，測量速度大于 100mm/s。光柵測量精度僅取決于系統修正精度，而與測量過程中是否存在擾動和干擾無 關，也與測量過程中光柵信號衰減無關。由于粗光柵制作工藝相對簡單、光柵信號質量高、 價格低以及在我國的應用相當普及，因此該技術具有非常廣的市場應用前景。
本發明的有益效果 (1)、提供性價比高的大行程光柵納米測量模塊，可以單獨使用，也可通過RS232 接口與外圍設備連接構成測控系統使用； (2)、滿足大行程范圍內的納米測量和實時控制要求，可廣泛用作為超精密工作臺 的位置測量與反饋控制裝置； (3)、能與常用的粗光柵配套使用，實現測量行程士2m、測量分辨率l-2nm、測量速 度0-100mm/s的技術指標； (4)、體積小、抗干擾能力強，可用于在線測量。
測量塊，其特征在于所述DSP浮點運算芯片型號為
量塊，其特征在于所述串行通信接口型號為RS232。 量塊，其特征在于所述顯示器為IO位顯示屏。
量塊的測量方法，其特征在于外部光柵采集位移信號，
柵調理電路，DSP浮點運算芯片在內部時鐘定時觸發下，
圖1為本發明中無辨向電路及辨向算法的光柵納米測量方法原理圖。
圖2為本發明測量塊的原理圖。 圖3為現有技術帶有辨向電路的光柵納米測量方法原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示。本發明包括光柵接口，光柵調理電路，基于浮點運算芯片型號為 TMS320F28335的DSP浮點運算芯片，DSP浮點運算芯片內固化有采樣和零辨向細分軟件， 10位液晶顯示屏，RS232接口，+5V的電源接口。外接光柵通過光柵接口將光柵的莫爾位移 信號送到光柵調理電路進行信號調理；調理后的光柵正弦電壓、余弦電壓和零偏電壓送到 DSP處理電路上的A/D輸入端；經A/D采樣及零辨向軟件細分后的光柵測量值通過10位液 晶顯示屏顯示出來；外圍設備通過RS232接口實現對測量的遠程控制；外接電源通過+5V 電源接口給上述各電路供電。 如圖2所述。A化為測量值的細分增量值。A化中包含有光柵測量值信息，同時
也包含有與測量值分辨率相同的納米級或亞納米級的辨向信息。最終的測量值為細分增量 值A&的算術和。本發明的方法無需獨立辨向計數器，也無需獨立辨向軟件算法。
權利要求
大行程光柵納米測量塊，包括有DSP浮點運算芯片及其DSP處理電路，所述DSP處理電路包括有A/D輸入電路、I/O輸出電路、串口輸出電路，其特征在于還包括有光柵調理電路、與光柵調理電路輸入端電連接的供外部光柵接入的光柵接口，外部光柵通過光柵接口將采集到的位移信號傳輸至光柵調理電路，所述光柵調理電路通過所述A/D輸入電路與所述DSP浮點運算芯片電連接，輸出調理后的外部光柵的正弦電壓、余弦電壓和零偏電壓信號至所述DSP浮點運算芯片；有串行通信接口，所述串行通信接口通過所述串口輸出電路與所述DSP浮點運算芯片電連接，所述DSP浮點運算芯片的測量數據通過串行通信接口輸出至外部的上位機；有顯示器通過I/O輸出電路與所述DSP浮點運算芯片電連接，所述DSP浮點運算芯片的測量數據通過I/O輸出電路在顯示器中顯示。
2. 根據權利要求1所述的大行程光柵納米測量塊，其特征在于還包括有引入外部電 源的電源接口，所述電源接口分別與所述DSP浮點運算芯片、光柵調理電路電連接以供電。
3. 根據權利要求1所述的大行程光柵納米測量塊，其特征在于所述DSP浮點運算芯 片型號為TMS320F28335。 >
4. 根據權利要求1所述的大行程光柵納米測量塊，其特征在于所述串行通信接口型 號為RS232。
5. 根據權利要求1所述的大行程光柵納米測量塊，其特征在于所述顯示器為10位顯示屏。
6. 基于權利要求1所述的大行程光柵納米測量塊的測量方法，其特征在于外部光柵采集位移信號，將位移信號通過光柵接口傳輸至光柵調理電路，DSP浮點運算芯片在內部時 鐘定時觸發下，通過所述A/D輸入電路采樣光柵調理電路調理后的外部光柵的正弦電壓、 余弦電壓和零偏電壓信號，采樣得到的采樣值與所述外部光柵的實際位移值相對應；所述 采樣值通過DSP浮點運算芯片處理后得到光柵細分增量值，對光柵細分增量值求算術和得 到光柵納米測量值；所述光柵納米測量值通過DSP浮點運算芯片的I/O 口傳輸至顯示器中 顯示，并通過DSP浮點運算芯片的串行通信接口傳輸至外部上位機中。
全文摘要
本發明公開了一種大行程光柵納米測量塊及其測量方法。測量模塊包括光柵接口、光柵調理電路、顯示器、串行通信接口、電源接口以及DSP浮點運算芯片，DSP浮點運算芯片內固化了零辨向細分軟件。本發明方法擺脫了獨立的辨向電路或辨向算法的約束，使得光柵測量分辨率與辨向分辨率在納米級和亞納米級上達到了一致，滿足了大行程范圍內的納米測量和實時控制要求，可廣泛應用于超精密工作臺的測控領域、在線高精度測量領域。測量模塊設計時的測量行程范圍±2m，與粗光柵配套后的測量分辨率1-2nm、測量速度范圍0-100mm/s。
文檔編號G01B11/02GK101793498SQ201010125329
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月16日 優先權日2010年3月16日
發明者徐從裕 申請人:合肥工業大學