[發明專利]大行程光柵納米測量塊及其測量方法

無效

• 申請號: 201010125329.2
• 申請日: 2010-03-16
• 公開（公告）號: CN101793498A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 徐從裕
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

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±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Δn₁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Δn₁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測量塊，其特征在于：所述DSP浮點運算芯片型號為TMS320F28335。

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。

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。

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。