[發明專利]一種增量式圓光柵尺光柵角位移檢測系統及方法

在審

• 申請號: 201710773144.4
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107449375A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 楊志軍;李彥鋒;蔡鐵根;李乾;陳新
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所44329
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及精密測量的技術領域，尤其涉及到一種增量式圓光柵尺光柵角位移檢測系統及方法。

背景技術

在精密測量中，圓光柵尺作為重要的工具，利用光柵的光學原理，主要進行線位移和角位移的測量。

圓光柵尺的關鍵技術和難點主要是在光柵的制造上，光柵的質量直接會影響到檢測結果的精度和可靠性。現有的圓光柵尺主要有玻璃圓光柵尺和金屬圓光柵尺，其形式有增量式圓光柵尺和絕對式圓光柵尺兩種。

其中，增量式圓光柵尺需要參考信號(相對零點)，上電時須執行參考點回零操作。當掉電后，光柵尺必須重新回零，使得設備不能恢復操作。另外，在速度過快時，會產生脈沖信號丟失而影響準確性。而絕對式圓光柵尺是在標尺光柵上刻劃一條帶有絕對位置編碼的碼道，每一個位置對應一個固定的碼道，測量示值只與測量的起始和終止的位置有關，與中間測量過程無關，掉電后還可以恢復當前位置，抗干擾性好。但是絕對式光柵尺編碼復雜，制造成本高，讀取速度慢，需要在標尺光柵上進行刻線，其測量精度與標尺光柵的精度有很大關系，因此在高精度測量中，對標尺光柵刻線要求很高，從而增加了加工成本。

如何在檢測成本較低的情況下高精度及高速度地測量光柵角位移，成為亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種構成簡單、檢測成本低、測量精度高、檢測速度快、實用性強的增量式圓光柵尺光柵角位移檢測系統。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：

一種增量式圓光柵尺光柵角位移檢測系統，其包括平行光源、增量式圓光柵尺、光電傳感器陣列、信號處理單元、角位移顯示單元以及高速電壓比較器；其中，增量式圓光柵尺垂直平行光源的照射方向；光電傳感器陣列放置于該增量式圓光柵尺光柵柵距內，并呈階梯型均勻分布；高速電壓比較器連接于光電傳感器陣列和信號處理單元之間，對光電傳感器陣列輸出信號進行整形以及對整形得出的方波信號進行電平轉換；所述信號處理單元與角位移顯示單元連接，將計算得到的角位移值顯示在角位移顯示單元上。

進一步地，光電傳感器個數n＝(H-D)/(D+L)+1；錯位角度x＝(w-q)/(n-1)；其中，q為第n個光電傳感器所對應的角度，w為兩條柵紋之間的角度；H為柵線長度；D為光電傳感器在柵線長度方向的寬度；x為相鄰兩光電傳感器在圓光柵尺旋轉方向上錯位角度；L為相鄰間隙。

為實現上述目的，本發明另外提供一種用于上述系統的增量式圓光柵尺光柵角位移檢測方法：包括以下步驟：

S1、從平行光源發出的光照射到增量式圓光柵尺上；

S2、光電傳感器陣列接收光照，根據被光柵柵線遮擋與否輸出高電平信號和低電平信號；

S3、高速電壓比較器對輸出的電平信號進行整形以及電平轉換；

S4、信號處理單元接收已整形以及電平轉換的信號，對其進行信號邊沿檢測、判斷光柵運動方向并計數，得出角位移值；

S5、角位移顯示單元顯示信號處理單元處理得出的角位移值。

進一步地，步驟S4中運動方向利用組合邏輯根據相鄰三個光電傳感器分別輸出的信號A、B、C的特點進行判斷；順時針運動的情況下，運動方向為逆時針運動的情況下，運動方向為

進一步地，信號處理單元利用邊沿檢測法進行脈沖邊沿檢測并計數，所需檢測邊沿為脈沖的上升邊沿。

進一步地，光柵角位移值計算過程如下：

光柵順時針運動時，角位移計算公式為：其中，為前一次的角位移值，ω為一個柵距所對應的角位移，N為一個柵距內所放置的傳感器數量，M為計數的脈沖數目；光柵逆時針運動時，

與現有技術相比，本方案原理如下：

平行光源照射到增量式圓光柵尺上，由于光電傳感器對光照強度敏感度高，未被光柵尺柵線遮擋的光電傳感器接受全部光照，輸出高電平信號，被遮擋的光電傳感器接受部分光照或不接受光照，光照強度低，輸出低電平信號。由于光電傳感器在檢測光照強度變化時，輸出的波形不是理想方波信號，需要對輸出的信號進行整形。本方案采用高速電壓比較器對光電傳感器輸出信號進行整形，輸出方波信號，并將信號進行高低電平轉換輸出至信號處理單元，進行脈沖信號邊沿檢測和判斷光柵運動方向并計數，最后得到光柵角位移值。

與現有技術相比，具有以下優點：

1.位移檢測方法信號由光電傳感器直接輸出，檢測速度快；

2.系統簡化，檢測成本低廉；

3.實用性強：對光電傳感器要求較低，只需對整形后的脈沖邊沿進行檢測并計數即可得到位移值。