絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法
【專利摘要】絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法，屬于絕對式光柵尺測量領域，為克服光照強度不均勻、絕對編碼刻線質量不高以及光電二極管陣列光電響應不均勻等導致最終輸出的具有絕對位置的電信號不一致問題，該方法包括上位機通過存儲器給絕對式光柵尺的光電二極管陣列的一致性校正結構的增益校正電路和偏置校正電路分別輸入兩組初始值；將n個光電二極管在m檔光源偏置電流下經過一致性校正結構后輸出的電壓響應曲線進行直線性擬合；選取一條作為目標直線，并將剩余其他n-1條響應直線向該目標響應直線擬合；全部直線取平均值；全部直線向該平均值移動；輸出電壓的響應直線的離散度滿足要求為止及進行線性范圍擴展，直到離散度和線性范圍滿足要求為止。
【專利說明】絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法，屬于絕對式光柵尺測量 領域。
【背景技術】
[0002] 絕對式光柵尺主要應用于高檔數控系統中做全閉環，其優點為：系統上電便可得 到絕對位置，無需尋找零位，并且是光學探測，非接觸式不易磨損。絕對式光柵尺是未來數 控行業的必備關鍵部件。
[0003] 絕對式光柵尺是在玻璃尺板上刻劃絕對位置編碼，經過平行光照射，投影到光電 二極管陣列，光電二極管陣列將具有絕對位置信息的光信號轉換為電信號，通過分析便可 以知道絕對位置。但是由于一些不良因素如：光照強度不均勻、絕對編碼刻線質量不高以及 光電二極管陣列光電響應不均勻等，這些不良因素會導致最終輸出的具有絕對位置的電信 號不一致，影響絕對位置的精確判斷，降低絕對式光柵尺的精度。
[0004] 因此，在絕對式光柵尺的生產制造過程中，需要一種一致性校正方法來彌補上述 不足，以使得絕對式光柵尺最終輸出的絕對信號能夠準確精確的反映真實的絕對位置。
【發明內容】
[0005] 本發明為克服光照強度不均勻、絕對編碼刻線質量不高以及光電二極管陣列光電 響應不均勻等導致最終輸出的具有絕對位置的電信號不一致問題，使得絕對式光柵尺最終 輸出的絕對信號能夠準確精確的反映真實的絕對位置，提供一種絕對式光柵尺絕對信號一 致性校正方法，增強絕對信號質量，提高系統測量精度。
[0006] 為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方法，
[0007] 絕對式光柵尺絕對信號電壓值一致校正方法，采用公式為：
[0008] v = P · (1+A) · I+Q · (1+A) · (C_D)+D (1)
[0009] 其中，v為絕對式光柵尺光電二極管陣列4經過一致性校正結構8后輸出的電壓 值。I為光源1的偏置電流。A為絕對式光柵尺光電二極管陣列4增益校正電路7的校正 向量，C為絕對式光柵尺光電二極管陣列4偏置校正電路6的校正向量。P和Q為絕對式光 柵尺光電二極管陣列4的常量系數向量，與系統結構有關。D為常量電壓值。
[0010] 將⑴式簡化為
[0011] v = K · I+B (2)
[0012] 其中，
[0013] K = P · (1+A) (3)
[0014] B = Q · (1+A) · (C_D)+D (4)
[0015] 如圖1所示，絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法，具體步驟如下：
[0016] 步驟1，上位機10通過存儲器9給絕對式光柵尺的光電二極管陣列4(共η個光 電二極管）的一致性校正結構8的增益校正電路7和偏置校正電路6分別輸入兩組初始校 正數據向量％[1:η]和匕^:!!]，然后調節光源1的偏置電流由弱到強分別為IpI2、I3、…、 Im(m為調節的檔數），并同時記錄下η個光電二極管在m檔光源1偏置電流下經過一致性 校正結構 8 后輸出的電壓值 vh [1 :m]、vl2[l :m]、vl3[l :m]、…、vln[l :m]。
[0017] 步驟2,根據步驟1中得到數據，將n個光電二極管在m檔光源1偏置電流下經過 一致性校正結構8后輸出的電壓響應曲線進行直線性擬合如圖3 (a)所示，然后，計算η條 光電二極管在m檔光源1偏置電流下經過一致性校正結構8后輸出電壓響應直線的斜率 向量K[l:n]和截距向量B[l:n]，繼而可以得到η條光電二極管的常量系數向量P[l:n]和 Q[1:n]。
[0018] 步驟3,在步驟2中得到的η條響應直線中選取一條作為目標直線，并將剩余其他 n-Ι條響應直線向該目標響應直線擬合，擬合過程如圖3所示，圖3(a)是擬合前的情況，圖 3(b)是擬合后的情況。圖3(b)是理想情況，實際擬合效果如圖4(a)所示，還是有一定的離 散度。此時得到絕對式光柵尺光電二極管陣列4增益校正電路7校正數據向量a 2 [ 1: η]和 偏置校正電路6校正數據向量b2 [ 1: η]。
[0019] 步驟4,上位機10將步驟3中得到的增益校正電路7校正數據向量a2[l:n]和偏 置校正電路6校正數據向量b 2[l:η]存儲器9輸入到絕對式光柵尺的光電二極管陣列4的 一致性校正結構8中，然后調節光源1的偏置電流到中間值I m/2，并同時記錄下η個光電二 極管在該光源1偏置電流下輸出的電壓值vZi [m/2]、v22 [m/2]、v23 [m/2]、…、v2n [m/2]。
[0020] 步驟5,將光源1偏置電流為中間值Im/2下步驟4中得到的n個電壓值％ [m/2]、 v22[m/2]、v23[m/2]、…、v2n[m/2]進行取平均值，然后將全部光電二極管經過一致性校正 結構[8]后輸出電壓響應直線向該平均值進行平移，平移過程如圖4所示，圖4(a)是平移 前的示意圖，圖4(b)是平移后的接近實際情況的示意圖。只調節η個光電二極管的偏置校 正電路6校正數據向量，得到一組新的校正數據向量b 3[l:η]。
[0021] 步驟6,重復步驟4和步驟5, 一直到絕對式光柵尺的光電二極管陣列4在m檔光 源1偏置電流下經過一致性校正結構8后輸出電壓的響應直線的離散度滿足要求為止，繼 而得到此時絕對式光柵尺光電二極管陣列4的一致性校正結構8的增益校正電路7校正數 據向量a 2 [ 1: η]和偏置校正電路6校正數據向量b4 [ 1: η]。
[0022] 步驟7,對步驟6得到的絕對式光柵尺光電二極管陣列4在m檔光源1偏置電流 下經過一致性校正結構8后輸出電壓的響應直線進行線性范圍擴展如圖5所示，即在光源 1較弱時，輸出電壓響應應盡量為零，同時要保證在光源1的額定偏置電流附近時，輸出電 壓響應才達到飽和。將絕對式光柵尺光電二極管陣列4 一致性校正結構8的增益校正電路 7校正數據向量a2 [1:η]中的每個值小幅度提高，并將絕對式光柵尺光電二極管陣列4的一 致性校正電路的偏置校正電路6結構校正數據向量b 4[l:n]中的每個值小幅度降低，從而 得到新的增益校正電路7校正數據向量a3[l :n]和偏置校正電路6校正數據向量b5[l :n]。
[0023] 步驟8,上位機10通過存儲器9將增益校正電路7校正數據向量a3[l:n]和偏置 校正電路6校正數據向量b 5[l:n]傳輸給增益校正電路7和偏置校正電路6,檢測絕對式 光柵尺的光電二極管陣列4在m檔光源1偏置電流下經過一致性校正結構8后輸出電壓的 響應直線的線性范圍是否滿足要求。如不滿足，需要重復步驟7,直到滿足要求為止。繼而 得到絕對式光柵尺的光電二極管陣列4 一致性校正結構8的增益校正電路7校正數據向量 a4 [ 1: η]和偏置校正電路6校正數據向量b6 [ 1: η]。
[0024] 步驟9,檢測此時絕對式光柵尺的光電二極管陣列4在m檔光源1偏置電流下經 過一致性校正結構8后輸出電壓的響應直線的離散度是否滿足要求，如不滿足，則給絕對 式光柵尺的光電二極管陣列4 一致性校正結構8的增益校正電路7校正數據向量和偏置校 正電路6校正數據向量分別輸入兩組新的初始校正數據a4 [ 1: η]和b6 [ 1: η]，重復執行步驟 1到步驟9,直到絕對式光柵尺的光電二極管陣列4在m檔光源1偏置電流下經過一致性校 正結構8后輸出電壓的響應直線的離散度和線性范圍滿足要求為止。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法流程圖。
[0026] 圖2為本發明絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法的系統結構示意圖。
[0027] 圖3為本發明所述n-1條響應直線向目標響應直線擬合過程示意圖。
[0028] 圖4為本發明所述η條響應直線向平均值進行平移過程示意圖。
[0029] 圖5為本發明所述經過線性范圍擴展后光電二極管陣列經過一致性校正結構后 輸出的電壓響應直線示意圖。
[0030] 圖6為本發明實施例中初始校正數據時20個光電二極管經過一致性校正結構后 輸出的電壓響應曲線。
[0031] 圖7為本發明實施例中經過平移后20個光電二極管經過一致性校正結構后輸出 的電壓響應直線。
[0032] 圖8為本發明實施例中經過線性范圍擴展后20個光電二極管經過一致性校正結 構后輸出的電壓響應直線。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖和實施例對本發明方法做進一步詳細說明。
[0034] 如圖2所示，絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法的系統結構，包括光源1、準 直透鏡2、刻有絕對編碼的光柵尺3、光電二極管陣列4、放大采樣保持電路陣列5、偏置校正 電路6、偏置校正電路7、一致性校正結構8、存儲器9和上位機10。其工作原理為，首先，系 統上電，上位機10向存儲器9傳輸絕對式光柵尺光電二極管陣列4的一致性校正結構8的 增益校正電路7初始校正數據向量 ai [1:η]和偏置校正電路6初始校正數據向量bjl:η]。 通過調節光源1的偏置電流，光源1便可發出相應強度的光，經過準直透鏡2產生平行光， 經過刻有絕對編碼的光柵尺3后，光電二極管陣列4接收具有絕對編碼的光信號并輸出η 個具有絕對編碼信息的光電流，然后，放大采樣保持電路陣列5對η個光電流進行放大采樣 保持處理，輸出具有絕對編碼信息的η個電壓信號。偏置校正電路6向存儲器9索取偏置 校正電路6校正數據向量h [ 1: η]，并經過D/A轉換電路形成絕對式光柵尺光電二極管陣列 4的偏置校正電路6的校正向量C，同時，增益校正電路7向存儲器9索取增益校正電路7 校正數據向量％ [ 1: η]，并轉換成絕對式光柵尺光電二極管陣列4增益校正電路7的校正向 量Α。偏置校正電路6和增益校正電路7對放大采樣保持電路陣列5輸出的具有絕對編碼 信息的電壓信號進行校正，并將校正后的電壓上傳到上位機10,上位機10判斷絕對式光柵 尺光電二極管陣列4在m檔光源1偏置電流下經過一致性校正結構8后輸出電壓的響應直 線的線性范圍和離散度是否滿足要求。
[0035] 絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法，其具體步驟如下：
[0036] 步驟1，上位機10通過存儲器9給絕對式光柵尺的光電二極管陣列4 (假設共20 個光電二極管）的一致性校正結構8的增益校正電路7和偏置校正電路6分別輸入兩組初 始校正數據向量叫[1:20]假設增益校正電路7校正數據向量 ai[l:20]中的 每個元素值都為15,偏置校正電路6校正數據向量bJljO]中的每個元素值都為32。假 設采用的光源1的額定偏置電流為50mA，取8個光源1的偏置電流檔分別為2. 5mA、7. 0mA、 11. 0mA、15. 5mA、19. 5mA、23. 5mA、28. 0mA、32. 0mA，分別將光源1的偏置電流調節到以上8個 值，并在上位機10保存各個光源1的偏置電流下20個光電二極管經過一致性校正結構8 后輸出的電壓值vUljhvUlAhvULS]、·?ΙΙΑ]并在上位機10繪出該圖，如 圖6所示。本設計電路的飽和輸出電壓為3. 3V，從圖6可見，20個光電二極管經過一致性 校正結構8后輸出的電壓響應曲線的離散度很大，并且線性范圍也不寬。
[0037] 步驟2,將步驟1所得的20條光電二極管經過一致性校正結構8后輸出的電壓 vlJlA]、vl2[l:8]、vl3[l:8]、··svljliS]響應曲線進行直線性擬合，并計算出擬合后20 條響應直線的斜率向量K[1:20]和截距向量B [1:20]如表1所示：
[0038] 表120條響應直線的斜率向量K[l:20]和截距向量B[l:20]
[0039]
【權利要求】
1.絕對式光柵尺絕對信號一致性校正方法，該方法采用公式為： V = P · (1+A) · I+Q · (1+A) · (C-D)+D 其中，v為絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)經過一致性校正結構（8)后輸出的電壓 值，I為光源（1)的偏置電流，P和Q為絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)的常量系數向量， 與系統結構有關，D為常量電壓值，A為絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)偏置校正電路（7) 的校正向量，C為絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)偏置校正電路（6)的校正向量， 將上式簡化為 v = K · I+B 其中，K = P · (1+A)，B = Q · (1+A) · (C-D) +D ; 其特征是，該方法包括以下步驟： 步驟1，上位機（10)通過存儲器（9)給絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4)的一致性 校正結構（8)的增益校正電路（7)和偏置校正電路（6)分別輸入兩組初始校正數據向量 &1[1:η]和匕山!!]，然后調節光源（1)的偏置電流由弱到強分別為ΙρΙ 2、Ι3、，其中， m為調節的檔數，并同時記錄下η個光電二極管在m檔光源（1)偏置電流下經過一致性校正 結構（8)后輸出的電壓值 vlJlzmiUvlJlzmiUvlJlzmiU-'vlnlil:!]!]; 步驟2,根據步驟1中得到的數據，將η個光電二極管在m檔光源（1)偏置電流下經過 一致性校正結構（8)后輸出的電壓響應曲線進行直線性擬合，然后，計算η條光電二極管在 m檔光源⑴偏置電流下經過一致性校正結構⑶后輸出電壓響應直線的斜率向量Κ[1:η] 和截距向量Β[1:η]，繼而可以得到η個光電二極管的常量系數向量Ρ[1:η]和Q[l:n]; 步驟3,在步驟2中得到的η條響應直線中選取一條作為目標直線，并將剩余其他n-1 條響應直線向該目標響應直線擬合，從而得到此時絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)增益 校正電路（7)校正數據向量a2[l:η]和偏置校正電路（6)校正數據向量b 2[l:η]; 步驟4,上位機（10)將步驟3中得到的增益校正電路（7)校正數據向量a2[l:n]和偏 置校正電路（6)校正數據向量b2[l:n]通過存儲器（9)輸入到絕對式光柵尺的光電二極管 陣列⑷的一致性校正結構⑶中，然后調節光源（1)的偏置電流到中間值I m/2，并同時記 錄下η個光電二極管在該光源（1)偏置電流下經過一致性校正結構（8)后輸出的電壓值 ￥2!^/2] > v22[m/2] > v23[m/2] > *··>ν2η[πι/2]； 步驟5,將光源[1]偏置電流為中間值Im/2下步驟4中得到的η個電壓值V2JII1/2]、 v22[m/2]、v23[m/2]、…、v2n[m/2]進行取平均值，然后將全部光電二極管經過一致性校正 結構[8]后輸出電壓響應直線向該平均值進行平移，此時只調節η個光電二極管的偏置校 正電路（6)校正數據向量，得到一組新的校正數據向量13 3[1:11]; 步驟6,重復步驟4和步驟5, 一直到絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4)在m檔光源 (1)偏置電流下經過一致性校正結構（8)后輸出電壓的響應直線的離散度滿足要求為止， 繼而得到此時絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)的一致性校正結構（8)的增益校正電路 (7)校正數據向量a2[l:n]和偏置校正電路（6)校正數據向量b 4[l:n]; 步驟7,對步驟6得到的絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)在m檔光源（1)偏置電流下 經過一致性校正結構（8)后輸出電壓的響應直線進行線性范圍擴展，即將絕對式光柵尺光 電二極管陣列（4) 一致性校正結構（8)的增益校正電路（7)校正數據向量a2[l:n]中的每 個值小幅度提高，并將絕對式光柵尺光電二極管陣列（4)的一致性校正電路的偏置校正電 路（6)結構校正數據向量b4[l:n]中的每個值小幅度降低，從而得到新的增益校正電路（7) 校正數據向量a3[l:n]和偏置校正電路（6)校正數據向量b5[l:n]; 步驟8,上位機（10)通過存儲器（9)將增益校正電路（7)校正數據向量a3[l:n]和偏 置校正電路（6)校正數據向量b5[l:n]傳輸給增益校正電路（7)和偏置校正電路（6)，檢測 絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4)在m檔光源（1)偏置電流下經過一致性校正結構（8) 后輸出電壓的響應直線的線性范圍是否滿足要求，如不滿足，需要重復步驟7,直到滿足要 求為止，繼而得到絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4) 一致性校正結構（8)的增益校正電 路⑵校正數據向量a4[l:n]和偏置校正電路（6)校正數據向量b 6[l:n]; 步驟9,檢測此時絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4)在m檔光源（1)偏置電流下經 過一致性校正結構（8)后輸出電壓的響應直線的離散度是否滿足要求，如不滿足，則上位 機（10)通過存儲器（9)給絕對式光柵尺的光電二極管陣列（4) 一致性校正結構（8)的增 益校正電路（7)校正數據向量和偏置校正電路（6)校正數據向量分別輸入兩組新的初始校 正數據a 4 [1:η]和b6 [1:η]，重復執行步驟1到步驟9,直到絕對式光柵尺的光電二極管陣列 (4)在m檔光源（1)偏置電流下經過一致性校正結構（8)后輸出電壓的響應直線的離散度 和線性范圍滿足要求為止。
【文檔編號】G01B11/00GK104296661SQ201410617422
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】劉陽, 許家林, 喬棟, 楊帆, 吳宏圣, 曾琪峰, 孫強, 尤佳 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所