[發(fā)明專利]線位移測(cè)量方法及測(cè)量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210088474.7
• 申請(qǐng)日: 2012-03-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102620657A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳宏圣;孫強(qiáng);曾琪峰;盧振武;喬棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 王淑秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于線位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種線位移測(cè)量方法及測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

目前線位移和角位移光柵傳感器構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)從增量式測(cè)量方法逐步發(fā)展為絕對(duì)式測(cè)量方法。安裝有絕對(duì)式光柵線位移傳感器的數(shù)控機(jī)床或生產(chǎn)線在重新開(kāi)機(jī)后不需要尋找零位，立刻重新獲得各個(gè)軸的絕對(duì)位置以及刀具的空間指向，因此可以馬上從中斷處開(kāi)始繼續(xù)原來(lái)的加工程序，縮短了數(shù)控機(jī)床的有效加工時(shí)間。

現(xiàn)有的線位移測(cè)量裝置一般由標(biāo)尺光柵、掃描單元、光電信號(hào)采集單元、光電信號(hào)處理單元和位置數(shù)據(jù)輸出單元構(gòu)成。在標(biāo)尺光柵測(cè)量方向上刻有代表絕對(duì)位置信息的編碼字，標(biāo)尺光柵作為位置測(cè)量的基準(zhǔn)。掃描單元包括發(fā)光單元和光電接收單元，掃描單元固定于被測(cè)物體可移動(dòng)部件上，標(biāo)尺光柵固定于被測(cè)物體不可動(dòng)部件上；或者標(biāo)尺光柵固定于被測(cè)物體可移動(dòng)部件上，掃描單元固定于被測(cè)物體不可動(dòng)部件上；掃描單元可相對(duì)于標(biāo)尺光柵在測(cè)量方向上運(yùn)動(dòng)。發(fā)光單元產(chǎn)生的平行光將標(biāo)尺光柵上的編碼字投影于光電接收單元；光電接收單元完成編碼字的光電轉(zhuǎn)換，其各個(gè)像元輸出代表位置編碼信號(hào)的灰度響應(yīng)值；光電信號(hào)采集單元采集這些灰度響應(yīng)值并將其傳輸給光電信號(hào)處理單元，經(jīng)光電信號(hào)處理單元進(jìn)行位置編碼信號(hào)的譯碼處理，算出最終的絕對(duì)位置測(cè)量值。位置數(shù)據(jù)輸出單元將最終的絕對(duì)位置測(cè)量值以數(shù)字形式輸出。

絕對(duì)式光柵線位移傳感器的標(biāo)尺光柵一般來(lái)說(shuō)包括兩個(gè)碼道：絕對(duì)碼道和增量碼道。絕對(duì)碼道將不同寬度和不同間距的柵線以絕對(duì)位置數(shù)據(jù)編碼形式直接制作到標(biāo)尺上用來(lái)確定絕對(duì)位置，也叫絕對(duì)粗位置，編碼方式多采用偽隨機(jī)編碼(PRC)；增量碼道通過(guò)信號(hào)細(xì)分提供高分辨力的位置值，用來(lái)確定光柵的精度和分辨力，通過(guò)兩個(gè)碼道位置值的結(jié)合實(shí)現(xiàn)最終的高精度絕對(duì)位置測(cè)量。發(fā)光單元通常用LED作為發(fā)光元件，LED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗低、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光電接收單元采用線陣圖像傳感器接收絕對(duì)編碼信息。為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)碼道與增量碼道位置值的可靠結(jié)合，有必要將絕對(duì)粗位置進(jìn)一步細(xì)分，細(xì)分到可與增量碼道相結(jié)合。影響絕對(duì)粗位置細(xì)分精度的因素有：光源的準(zhǔn)直性和非均勻性、線陣圖像傳感器的像元尺寸大小和像元響應(yīng)的非均勻性、標(biāo)尺光柵的柵線刻劃精度等。其中，光源的非均勻性及線陣圖像傳感器像元響應(yīng)的非均勻性是影響絕對(duì)粗位置細(xì)分精度的重要因素，這種非均勻性如果惡化到一定程度，將導(dǎo)致絕對(duì)粗位置在細(xì)分時(shí)進(jìn)行的閾值判斷無(wú)法實(shí)現(xiàn)，最后造成絕對(duì)粗位置不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)細(xì)分。

為提高發(fā)光單元的均勻性，通常，在發(fā)光單元前端增加球面或非球面透鏡來(lái)改善；為驗(yàn)證發(fā)光單元的均勻性結(jié)果，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)接收裝置來(lái)檢驗(yàn)；為提高光電接收單元像元響應(yīng)的均勻性，對(duì)光電接收單元像元輸出的灰度響應(yīng)值的非均勻性進(jìn)行校正，實(shí)驗(yàn)設(shè)備離不開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)的均勻光源，如積分球等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光單元和光電接收單元一體化非均勻性校正，從而降低對(duì)發(fā)光單元的均勻性要求、簡(jiǎn)化測(cè)量裝置整體調(diào)試步驟的線位移測(cè)量方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的線位移測(cè)量方法包括下述步驟：

1)調(diào)整發(fā)光單元2_1中光源的光功率密度為I₁，并使發(fā)光單元產(chǎn)生的平行光照射于光電接收單元；

2)采集并記錄光電接收單元各個(gè)像元輸出的灰度響應(yīng)值，計(jì)算所有像元灰度響應(yīng)值的算術(shù)平均值

3)調(diào)整發(fā)光單元2_1中光源的光功率密度為I₂，并使發(fā)光單元產(chǎn)生的平行光照射于光電接收單元；

4)采集并記錄光電接收單元各個(gè)像元輸出的灰度響應(yīng)值，計(jì)算所有像元灰度響應(yīng)值的算術(shù)平均值

5)利用關(guān)系式(1)和(2)，計(jì)算出光電接收單元各個(gè)像元的靈敏度校正因子和偏移量校正因子：