專利名稱：內(nèi)插器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)插器和包含內(nèi)插器的計量裝置。
在計量裝置中，其中有一表面?zhèn)鞲衅餮毓ぜ砻鏅M向移動，對其表面性質(zhì)進(jìn)行測量，例如測量粗糙度和形狀，還有一個裝置通過在表面上一些有規(guī)則的空間點(diǎn)上，對表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲞M(jìn)行采樣，以檢測工件支撐與表面?zhèn)鞲衅髦g的相對移動，這樣，從所提供的信息中獲得所需要的表面性質(zhì)。已知的各種形式的移動檢測器產(chǎn)生正交信號，可以用于對表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲞M(jìn)行采樣，例如，在正交信號的過零點(diǎn)上。這種移動檢測器的一個例子是一個光柵和與其相聯(lián)合的傳感裝置，該傳感裝置響應(yīng)于對來自光柵的反射光的檢測，產(chǎn)生正交信號。
但是，這種檢測器的一個問題是正交信號的頻率不能足夠高以提供所要求的分辨率。已知可通過內(nèi)插器提高分辨率。已知的內(nèi)插器包括一排比較器，向其提供各種比例的正交信號，比較器輸出一系列彼此相位不同的正弦波。但是，這種內(nèi)插器的一個問題是電路設(shè)計相對復(fù)雜而且有噪聲影響的問題。
從US4359688中已知一種倍頻電路用于接收正交信號(SinA和CosA)并輸出二倍頻正交信號(Sin2A和Cos2A)。有人建議對這種電路進(jìn)行級聯(lián)，以產(chǎn)生4倍頻信號(Sin4A和Cos4A)。該電路采用三角恒等式2SinACosA＝Sin2A和(CosA+SinA)(CosA-SinA)＝Cos2A。第一個恒等式重新寫成(CosA-0)(2SinA-0)＝Sin2A，使用4輸入端乘法器可以產(chǎn)生二倍頻信號，其從輸入端a1，a2，b1和b2產(chǎn)生K(a1-a2)(b1-b2)的輸出。由于需要給產(chǎn)生Cos2A的放大器提供4個輸入端，和要有產(chǎn)生乘法器輸入端所要求的信號2SinA和-SinA所需要的附加電路，所以，使上述電路復(fù)雜化。
本發(fā)明一方面提供一個改進(jìn)的內(nèi)插器，用以接收輸入的正交信號，并且設(shè)計進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而提供輸入信號頻率的二倍或四倍或其它倍數(shù)頻率的輸出信號，該輸出信號是正交信號，該內(nèi)插器包括對輸入正交信號之一進(jìn)行平方，對另一個不平方的裝置。
該內(nèi)插器最好使用三角恒等式Sin2A＝1/2- ((Cos2A))/2 和Cos2A＝1/2+ ((Cos2A))/2 中的一個。由“1/2”項(xiàng)表示的直流分量能夠被濾波器濾掉，剩下的是- ((Cos2A))/2 或者+ ((Cos2A))/2 。其它能夠方便使用的三角恒等式為SinACosA＝ ((Sin2A))/2 。這些三角恒等式只需要兩個輸入信號簡單的相乘。此外，只需要輸入信號為SinA和CosA，從而不需要附加的電路以產(chǎn)生進(jìn)一步輸入信號。
參考下面附圖，通過舉例方式對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
圖1是實(shí)施本發(fā)明的計量裝置的附圖;
圖2是圖1所示裝置包含的電路的簡化方框圖;
圖3是圖1和圖2所示裝置所含有的，本發(fā)明最佳實(shí)施例的內(nèi)插器的方框圖;
圖4是說明本發(fā)明最佳實(shí)施例工作的波形圖;
圖5是利用本發(fā)明獲得的表面特性圖;和圖6是本發(fā)明最好包含的濾波器被省去時所獲得的表面特性圖。
參照圖1和圖2，一種測量表面特性或形狀的儀器包含一個支撐工件4的底座2，所要測量的是工件4的表面6的特性。固定在底座2上的垂直立柱8支撐一個可豎向移動的滑架10，其上面裝有一個水平的基準(zhǔn)桿12。還裝有沿桿12水平移動的另一個滑架14，滑架14上帶有一個傳感器16，傳感器16有一個測量臂18，測量臂18帶有一個探針19。在滑架14上裝有圖1所示的電動機(jī)20，以使其能夠沿基準(zhǔn)桿12進(jìn)行水平移動，在滑架10上裝有另一個電動21，以使其沿立柱8完成上下的豎向移動。
在該裝置的操作過程中，滑架被設(shè)置在能夠使探針19與表面6相接觸的這樣的豎向位置上。然后，電動機(jī)20工作，使滑架14沿基準(zhǔn)桿12水平移動，這樣使探針19沿被測表面6橫向移動。
圖1所示的線性光柵22包括一系列反射和不反射帶，光柵相對基準(zhǔn)桿12是固定的，來自光源的光被光柵22反射，由裝在滑架14上的一對光傳感器26、27進(jìn)行探測。光柵也可以是一系列透射和不透射帶，并設(shè)置光傳感器26、27檢測通過光柵的透射光?？梢蕴峁┮粋€與傳感器26、27相聯(lián)系的參考刻度(沒有示出)。有滑架沿基準(zhǔn)桿12移動時，傳感器26、27分別在線28和30上提供正弦電信號。傳感器26、27應(yīng)該位于使線28和30上的信號為正交信號的位置上。把這些信號提供給內(nèi)插器32，它使這些信號的頻率變成其四倍的頻率。內(nèi)插器32在線34和36上輸出結(jié)果信號，把它們提供給過零檢測器38，過零檢測器響應(yīng)于線34和36上的每一個信號的每一個過零點(diǎn)輸出脈沖信號。在一個市場現(xiàn)有的傳感器裝置中，如果光柵22的柵距為8微米，來自傳感器26、27的信號的周期與4微米相對應(yīng)。然后，對于滑架14沿基準(zhǔn)桿12每0.25微米的移動，就會有一個脈沖出現(xiàn)在線39上。
當(dāng)滑架14沿基準(zhǔn)桿12移動，并由此導(dǎo)致探針19沿工件表面6橫向移動的時候，響應(yīng)于表面6的表面特征和形狀的特點(diǎn)，探針19基本是豎向運(yùn)動的。傳感器16最好是感應(yīng)傳感器，并且響應(yīng)于這種基本豎向的運(yùn)動，產(chǎn)生一個輸出信號，該信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器40被數(shù)字化，并提供給微處理器42，微處理器42響應(yīng)于線39上的脈沖，在滑架14沿基準(zhǔn)桿12進(jìn)行移動的0.25微米的移動間隔中，對來自傳感器16的數(shù)字信號進(jìn)行采樣，并把采樣結(jié)果存儲在存儲器44中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器40和微處理器42對其輸出信號的處理可以和與本申請同時遞交的另一件申請所描述的相同，所說的另一件申請的代理人的編號為而且該件申請依據(jù)8914418.2和8914419.0號英國專利申請要求了優(yōu)先權(quán)，同時遞交的申請在這里供參考使用。該儀器包括一個編有程序的計算機(jī)46，用以實(shí)現(xiàn)對該儀器的總體控制，包括對電動機(jī)20和21的控制，并且對存儲器44中儲存的信號進(jìn)行處理，以提供有關(guān)表面6的表面特征和形狀的信息。鍵盤45用以向計算機(jī)46輸入指令。由計算機(jī)46輸出的表示表面特性的信號，經(jīng)過低通濾波器48(其使用目的在下面將作進(jìn)一步說明)，輸送給顯示裝置49，如陰極射線管，并輸送給打印機(jī)50，可以操作打印機(jī)以產(chǎn)生一個工件表面特性圖。顯示裝置49和打印機(jī)50可以使用數(shù)字輸入信號。另一方面，顯示裝置和打印機(jī)或其中之一也可以使用模擬輸入信號1，在這種情況下，信號要通過圖2所示的數(shù)模轉(zhuǎn)換器47。數(shù)模轉(zhuǎn)換器47可以位于濾波器48的前面或后面，與此相對應(yīng)，濾波器48為模擬或數(shù)字濾波器。
如圖3所示，內(nèi)插器32包括接收線28上的信號的第一通道52和接收線30上的信號的第二通道54。上述通道包括濾波器56a，56b，自動增益控制電路58a，58b和乘法器60a，60b，所有這些部分形成第一級。第二級64包括濾波器66a，66b，放大器68a，68b，乘法器70a，70b和濾波器72a，72b。
正如已經(jīng)說明過的那樣，在線28和30上的信號是正交的正弦信號。但是，每個信號實(shí)際上會含有會產(chǎn)生漂移的直流偏移分量，這是由于當(dāng)光傳感器26、29沿光柵22橫向移動時，光柵的反射沿其長度方向所產(chǎn)生的偏差。而且，由于光柵的誤差，在線28和30上的信號一般正交的不是很好，而且會含有一個不斷變化的相位誤差。這樣，如果在線28和30上的信號分別為V1和V2，它們可以被表示為V1＝V1+
Sin( (2πx)/(λ) ) ……(1)V2＝V2+
2COS( (2πx)/(λ) +φ) ……(2)
其中V1，
1和V2，
2分別是兩個信號的直流平均值和交流幅值電壓，X是橫向位移，λ是光柵波長，φ是正交的相位誤差。
濾波器56a和56b是高通濾波器，將直流偏移分量V1和
2從這些信號中濾掉。自動增益控制電路58a和58b消除由光柵誤差引起的兩個信號幅度的任何波動。乘法器60b對自動增益控制電路輸出的信號進(jìn)行乘法運(yùn)算以產(chǎn)生一個信號V3V3＝
2Sin( (2πx)/(λ) )COS( (2πx)/(λ) +φ) (3)該式能夠被表示為V3＝ (4)Sin(-φ)被濾波器66b濾掉，從而剩下一個頻率是輸入信號頻率兩倍的正弦信號。
乘法器60a對自動增益控制電路58a處理過的輸出信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，產(chǎn)生一個信號V4V4＝
12Sin2( (2πx)/(λ) ) (5)利用三角恒等式Sin2A＝1/2- ((COS2A))/2 (6)
(7)濾波器66a從公式7中濾掉直流項(xiàng)，剩下一個頻率是輸入信號頻率兩倍的余弦信號。
如果顛倒內(nèi)插器32的輸入信號，即信號V1從線30上輸入，信號V2從線28上輸入。在這種情況下，乘法器60b的輸出信號和公式(3)和(4)表示的信號相同，而乘法器60a的輸出信號是顛倒了相位的余弦信號V4′V4′＝
22COS2( (2πx)/(λ) ) (5′)利用三角恒等式COS2A＝1/2+ (COS(2A))/2 (6′)
在這種情況下，濾波器66a從公式7′中濾掉直流項(xiàng)，剩下一個頻率是輸入信號兩倍的余弦信號。
放大器68a和68b補(bǔ)償前面電路的增益損失。乘法器70a，70b和濾波器72a，72b與上述乘法器60a，60b和濾波器66a，66b的作用相同，因此，濾波器72a和72b在線34和36上提供的正交信號的頻率是輸入信號的4倍，而且，正如從公式4右邊一項(xiàng)很明顯看到的那樣，可變相位差φ很小。
圖4表示的是相位差的影響，圖4中的波形A表示的是由內(nèi)插器32輸出的正交波形，其相位差為φ。波形B是假設(shè)被探測表面6與水平面夾角為φ的情況下畫出的，它在實(shí)線曲線80上表示出在沒有任何相位差φ的情況下，由微處理器42輸出的來自傳感器16的信號的值。但是，考慮到相位差，過零點(diǎn)82，84，86等的出現(xiàn)稍稍有所提前，正如圖4中82a，84a和86a表示的那樣，從而使來自傳感器16的信號的值略低于由微處理器42獲得的正確值。這樣便會產(chǎn)生一個噪聲信號，如圖4的的曲線C所示，它實(shí)際上作為一個不希望出現(xiàn)的調(diào)制信號疊加在微處理器42的輸出信號上。觀察圖4能夠發(fā)現(xiàn)，噪聲信號C的頻率是圖4中的曲線A所示信號的頻率的兩倍。濾波器48是低通濾波器，使用它濾掉噪聲信號C。通過觀察圖5和圖6能夠看出濾波器48的作用，其中，圖5表示的是有濾波器48所得到的圖形，圖6表示的是沒有濾波器48所得到圖形。另外也可以使用微處理器42和一般數(shù)字濾波技術(shù)起到濾波器的作用。這些圖形是在實(shí)驗(yàn)儀器中，相應(yīng)于低于1.7微米的表面波長的情況下，使用柵距為8微米的光柵，輸出的正交信號的頻率為輸入信號頻率4倍的內(nèi)插器32，運(yùn)行速度為0.5毫米/秒的滑架14和濾波器48或能濾掉300HZ以上頻率的等效裝置所獲得的圖形的再現(xiàn)。在上述裝置中，正交噪聲信號的頻率約為1千赫茲，直流偏移噪聲信號的頻率約為500赫茲，兩者都被濾掉。這樣，可以看出，由于采用了本發(fā)明的內(nèi)插器32，所產(chǎn)生的內(nèi)插噪聲分量的頻率高于代表所要探測的表面特性的信號的頻率，而且，這種噪聲分量相應(yīng)地很容易濾掉，從而得到的圖形是圖5所示的高分辨率的清晰圖形，而不是圖6所示的帶有噪聲成份的圖形。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)能有各種各樣的變化。例如，在所有使用中，內(nèi)插器不需要總包括兩級。例如，在頻率只需為輸入信號頻率兩倍的場合，內(nèi)插器包含單級。另一方面，在頻率需要為輸入信號頻率更高倍的場合，內(nèi)插器要包含更多的級。
雖然在圖3中，內(nèi)插器的每一個通道包含3個濾波器，但是，改進(jìn)該儀器是可能的，例如，去掉上述濾波器的一個或兩個，同時仍能獲得滿意的效果。
本發(fā)明在與光柵結(jié)合使用時具有特別的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)椴捎帽景l(fā)明獲得的分辨率基本高于采用其它方法結(jié)合光柵所能經(jīng)濟(jì)實(shí)用獲得的分辨率，而且，采用這樣的光柵所帶來可變的漂移和相位誤差的影響能夠很容易地消除。不過本發(fā)明也能夠和其它裝置結(jié)合使用，例如，干涉儀，或者旋轉(zhuǎn)編碼器。
本發(fā)明除了在表面特性或形狀測量裝置中使用以外，還可用于其它裝置。例如，它可以在坐標(biāo)測量儀或機(jī)床上，特別是在需要把給定波長的信號分解成更細(xì)間隔的地方使用。
正如象在某一特定使用中，可以去掉圖3所示的內(nèi)插器線路中的一個或更多個濾波器一樣，在合適的情況下，也可以去掉自動增益控制電路和放大器。
雖然在附圖中，假設(shè)用模擬電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)插器，但是，也可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)插器。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)插器(32)，用于接收第一頻率的正交輸入信號并產(chǎn)生第二頻率的正交輸出信號，第二頻率是第一頻率的倍頻，它包括在輸入信號是正交的條件下，產(chǎn)生頻率是輸入信號頻率二倍的，基本是正交的第一和第二信號的裝置，其特征在于，產(chǎn)生信號的裝置包括只對輸入信號的一個進(jìn)行平方以提供第一信號的裝置(60a)和把輸入信號相乘在一起以提供第二信號裝置(60b)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)插器，其中第一信號采用三角恒等式Sin2A＝1/2- ((COS2A))/2 獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)插器，其中第一信號采用三角恒等式COS2A＝1/2+ ((COS2A))/2 獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任何權(quán)利要求所述的內(nèi)插器，其中第二信號采用三角恒等式SinACOSA＝ ((Sin2A))/2 獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4任何權(quán)利要求所述的內(nèi)插器，包括濾掉直流漂移分量的高通濾波裝置(56a，56b)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)插器，其中設(shè)置所說的高通濾波裝置(56a，56b)在所說的平方和相乘之前對所說的輸入信號進(jìn)行濾波。
7.根據(jù)前面任何權(quán)利要求所述的內(nèi)插器，包括對所說的第一和第二信號的一個進(jìn)行平方的裝置(70a)和把所說的第一和第二信號乘在一起，以產(chǎn)生輸入信號頻率四倍頻的正交輸出信號的裝置(70b)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)插器，包括濾波裝置(66a，66b)，對所說的第一和第二信號進(jìn)行高通濾波以濾掉其中的直流分量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的內(nèi)插器，包括裝置(68a，68b)，在對所說的第一和第二信號進(jìn)行所說的平方和乘法之前，對所說的第一和第二信號進(jìn)行放大以對有關(guān)所說輸入信號的增益損失進(jìn)行補(bǔ)償。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9所述的內(nèi)插器，包括裝置(72a，72b)，對所說的輸出信號進(jìn)行高通濾波以濾掉其中的直流分量。
11.根據(jù)前面任何根據(jù)權(quán)利要求所述的內(nèi)插器，包括自動增益控制裝置(58a，58b)，對所說輸入信號的增益進(jìn)行控制。
12.根據(jù)前面任何一個權(quán)利要求所述的內(nèi)插器，與過零檢測器(38)相結(jié)合，過零檢測器(38)接收由內(nèi)插器(32)輸出的信號。
13.一種移動檢測器包括一個光柵(22)，光傳感裝置(26，27)，光傳感裝置(26，27)響應(yīng)于所說的光柵和所說光傳感裝置之間的相對移動產(chǎn)生正交信號，還包括前面任何權(quán)利要求所述的內(nèi)插器(32)，用以產(chǎn)生頻率為由光傳感裝置產(chǎn)生的信號頻率的倍頻的正交輸出信號。
14.計量裝置包括表面?zhèn)鞲衅?16，18，19)，能夠使所說的傳感器沿工件(4)的表面(6)橫向移動的裝置(20)，和在所說的橫向移動期間，對表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲞M(jìn)行采樣的裝置，所說的采樣裝置包括位置檢測器(22，24，26，27)，它們響應(yīng)于所說的橫向移動產(chǎn)生第一正交信號，還包括一個根據(jù)權(quán)利要求1至12任何權(quán)利要求所述的內(nèi)插器(32)，用以產(chǎn)生頻率為第一正交信號頻率倍頻的進(jìn)一步的正交信號，和裝置(40，42)，裝置(40，42)響應(yīng)于每一個所說的進(jìn)一步的正交信號的預(yù)定條件實(shí)現(xiàn)所說的采樣。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所說的位置檢測器包括一個光柵(22)和光傳感裝置(26，27)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的裝置，包括裝置(48)，用以對來自傳感器的信號進(jìn)行低通濾波，以濾掉內(nèi)插噪聲。
全文摘要
一種內(nèi)插器，特別是在計量裝置中和光柵一起使用，用于檢測位置，它接收正交的輸入信號。對輸入信號中的一個進(jìn)行平方并把兩個輸入信號乘在一起，以提供頻率為輸入信號頻率二倍頻的進(jìn)一步的正交信號。也對進(jìn)一步的信號進(jìn)行平方，并把進(jìn)一步的信號乘在一起，以提供頻率為輸入信號頻率4倍頻的輸出信號。進(jìn)行濾波以濾掉象會導(dǎo)致漂移這樣的直流分量。在所說明的計量裝置中，檢測輸出信號的過零點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)對表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵龈叻直媛实牟蓸?。在高頻范圍會產(chǎn)生內(nèi)插噪聲，通過對來自表面?zhèn)鞲衅鞯牟蓸有盘栠M(jìn)行低通濾波可以濾掉噪聲。
文檔編號G01B21/00GK1048921SQ90106540
公開日1991年1月30日 申請日期1990年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月23日
發(fā)明者伊安·卡爾·布爾林 申請人:蘭克·泰勒·霍布森有限公司