[發明專利]光柵莫爾條紋信號化重構方法

有效

• 申請號: 201710402052.5
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107167080B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 劉紅忠;史永勝;尹磊;范禪金
• 申請（專利權）人: 常州秦寧邁超電子科技有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 蘇州廣正知識產權代理有限公司 32234
• 代理人: 張利強

本發明公開了一種光柵莫爾條紋信號化重構方法，包括以下步驟：a.信號預處理：對光柵莫爾條紋進行光電轉化，通過濾波和運算處理后獲取兩路信號差約為90°的正弦電壓信號和；b.信號的線性化重構：對步驟a中獲取的信號和進行線性化重構，并引入輔助函數，最終經重構得到線性化函數；c.位移的計量：利用周期計數器記錄莫爾條紋變化的整周期個數N，對于柵距為的增量式光柵線位移傳感器，經過其計量得到的位移值x為。通過上述方式，本發明光柵莫爾條紋信號化重構方法，能夠使得信號重構函數對原始信號的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實現位移計量。

技術領域

本發明涉及光電測量領域，特別是涉及一種光柵莫爾條紋信號化重構方法。

背景技術

近年來光柵位移傳感器在位移監測中得到了廣泛的應用，成為了以莫爾條紋為理論的測量技術的最典型代表。光柵位移傳感器必須包含一對光柵副，其中一塊光柵尺作測量基準用，該尺稱為標尺光柵（或稱主光柵），另一塊光柵尺則稱為指示光柵。當兩塊光柵面對面疊合，就會產生莫爾條紋，當兩光柵沿垂直于柵線方向作相對運動時，莫爾條紋便沿著與柵線方向相同的方向相應地移動。利用光電元件將變化的光強轉化為變化的電信號，并經過電子元器件的濾波整形和運算處理，便可以得到相應的位移值。一般情況下，為了實現辨向和進一步的細分，必須把經過光電元件轉換的莫爾條紋信號，處理成兩路相位差約為90°的正弦電壓信號。

目前，國內外長光柵柵距大多為 4μm以上，在實際應用中，僅依靠光柵柵距本身的分辨率，通常不能達到精密測量的要求。也就是說，必須采用莫爾條紋的細分技術來提高光柵測量系統的分辨率。

然而，若直接對原始的兩路正弦信號進行采樣細分，則會存在以下問題，在對信號進行采樣比較時，由于正、余弦信號的線性度不好，在一個周期內，相同位移差所對應的電壓幅值差不同，特別是當電壓幅值接近峰值時，光柵尺需要移動一個較大的位移才產生一個微小的電壓變化，故而必須對原始信號進行重構。

常用的重構算法主要是線性化重構算法，包括反正切算法、正余弦絕對相減（近似三角波）、正余弦絕對后相除（正切的絕對值，近似三角波）以及8細分法（利用正余弦近似線性的部分重構信號）。這些算法雖然都可以獲得線性重構函數，但通常都對信號的幅值變化較為敏感且線性度有待提高。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種光柵莫爾條紋信號化重構方法，能夠使得信號重構函數對原始信號的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實現位移計量。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種光柵莫爾條紋信號化重構方法，其特征在于，包括以下步驟：a.信號預處理：對光柵莫爾條紋進行光電轉化，通過濾波和運算處理后獲取兩路信號差約為90°的正弦電壓信號和；b.信號的線性化重構：對步驟a中獲取的信號和進行線性化重構，構造第一線性化函數，

，并引入輔助函數，，最終經重構得到第二線性化函數，；c.位移的計量：利用周期計數器記錄莫爾條紋變化的整周期個數N，對于柵距為d的增量式光柵線位移傳感器，經過其計量得到的位移值x為，其中，

。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟a中電壓信號和，在理想狀況下表示為，，在實際存在誤差的情況下表示為，，其中A₁和A₂代表信號的幅值，B₁和B ₂代表信號的相位，C₁和C₂代表信號的直流分量。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟b中的sgn函數，為符號函數，對于sgn函數，有

對于符號，表示一種“異或”運算，即對于，若Y和Z的值相同，則計算結果是0，若Y和Z的值不同，則計算結果是1，對于線性化函數，其與真正理想線性三角波的偏差為該重構算法的理論誤差，定義為