專利名稱：：光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及激光干涉測(cè)量技術(shù)，特別是涉及一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法。技術(shù)背景激光干涉測(cè)量技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)高精度、大量程和高分辨率位移測(cè)量的重要手段之一，在精密儀器、高精度精密加工、數(shù)控機(jī)床等精密工程領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光學(xué)干涉條紋信號(hào)處理技術(shù)是激光干涉測(cè)量技術(shù)的重要組成部分，一般將干涉條紋通過(guò)一定方法分為兩路位相相差;r/2的信號(hào)，經(jīng)光電探測(cè)器接收后進(jìn)行細(xì)分、判向和計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)部分包括對(duì)干涉條紋的整周期的計(jì)數(shù)和對(duì)條紋不到一個(gè)周期的部分進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)，位移測(cè)量的結(jié)果為計(jì)數(shù)結(jié)果乘以條紋當(dāng)量(每個(gè)條紋所對(duì)應(yīng)的位移量)。因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)數(shù)是激光干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度位移測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)光學(xué)干涉條紋計(jì)數(shù)進(jìn)行位移測(cè)量常規(guī)的方法主要有兩種。一種是利用硬件電路來(lái)進(jìn)行干涉條紋的細(xì)分和計(jì)數(shù)，其原理為兩路相差a/2的干涉條紋信號(hào)(sin信號(hào)和cos信號(hào))經(jīng)過(guò)過(guò)零觸發(fā)整形為矩形波，以正弦波整形信號(hào)的上跳沿作為計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，可逆計(jì)數(shù)器根據(jù)該上跳沿所對(duì)應(yīng)的余弦波整形信號(hào)的電平來(lái)判定被測(cè)物體的移動(dòng)方向。這種計(jì)數(shù)法實(shí)時(shí)性好，但容易造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，特別是當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生來(lái)回細(xì)微振蕩時(shí)，計(jì)數(shù)電路由于判向電路辨別不出被測(cè)物體的正反向移動(dòng)而使計(jì)數(shù)器一直處于加數(shù)或減數(shù)而造成計(jì)數(shù)錯(cuò)誤；另外該方法分辨率也不高，并嚴(yán)格要求相位差為a/2。另外一種方法是利用軟件來(lái)進(jìn)行干涉條紋的細(xì)分和計(jì)數(shù)，其原理是正余弦信號(hào)通過(guò)運(yùn)放放大后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入微處理器MCU或DSP，利用軟件對(duì)干涉條紋信號(hào)進(jìn)行細(xì)分和計(jì)數(shù)。該方法實(shí)時(shí)性差，只能適用于低速、小范圍、非實(shí)時(shí)的位
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)常規(guī)條紋計(jì)數(shù)方法的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法，用以克服常規(guī)計(jì)數(shù)方法中實(shí)時(shí)性差或精度不夠等弊端。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，該方法的步驟如下1)把光學(xué)干涉條紋信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；2)將來(lái)自光電探測(cè)器的正弦、以及經(jīng)反相器處理的反相正弦、余弦和地信號(hào)四路分別輸入比較器；3)比較器輸出四位二進(jìn)制變量的編碼；4)根據(jù)該四位二進(jìn)制編碼以及該編碼的變化順序來(lái)對(duì)光學(xué)干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)。所述的四位二進(jìn)制變量的編碼是cos-O，sin-cos，-sin-cos和sin-0，或以上的任意排列。該編碼計(jì)數(shù)方法中的3)、4)步驟能夠固化在大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐稦PGA或CPLD中實(shí)現(xiàn)，也能夠通過(guò)單片機(jī)或DSP方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明有益效果是通過(guò)本發(fā)明的條紋編碼計(jì)數(shù)法，使測(cè)量系統(tǒng)能精確分辯出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向和位移變化值，包括被測(cè)物細(xì)微振蕩時(shí)。位移分辨率可以達(dá)到T，/8(T，條紋當(dāng)量，也即一個(gè)條紋所對(duì)應(yīng)的位移量)的分辨率；正弦和余弦信號(hào)之間相位允許偏差，且可以達(dá)到接近"/4;通過(guò)編碼計(jì)數(shù)法固化在FPGA中使其實(shí)時(shí)性好。圖1本發(fā)明涉及的硬件裝置示意圖。圖2被測(cè)物體正向移動(dòng)時(shí)四位二進(jìn)制變量變化示意圖。圖3被測(cè)物體細(xì)微振動(dòng)時(shí)四位二進(jìn)制變量變化示意圖。圖4正余弦信號(hào)相位偏差時(shí)波形示意圖。圖巾1.外界光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，2.反相器，3.比較器，4.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA，5.光電探測(cè)器，6.光電探測(cè)器。具體實(shí)施方式本發(fā)明結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，物休通過(guò)外界光學(xué)檢測(cè)設(shè)備(例如邁克爾遜干涉儀)形成干涉條紋，其位移的變動(dòng)量對(duì)應(yīng)干涉條紋的移動(dòng)，并通過(guò)本裝置兩個(gè)光電探測(cè)器形成正余弦信號(hào)反映出來(lái)。所涉及到的硬件裝置是外界光學(xué)檢測(cè)設(shè)備1輸出形成光學(xué)干涉條紋信兮，兩個(gè)光電探測(cè)器5、6將干涉條紋信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)分別包括正弦和余弦信號(hào)，將光電探測(cè)器的電信號(hào)正弦信號(hào)、以及經(jīng)反相器2處理的反相正弦信號(hào)、余弦信號(hào)和地信號(hào)四路分別接入比較器3，形成四位比較信號(hào)；最后將這四位比較信號(hào)輸入大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA4中，應(yīng)用條紋編碼計(jì)數(shù)法進(jìn)行處理，檢測(cè)出干涉條紋移動(dòng)的整周期數(shù)以及不到一個(gè)周期的細(xì)分?jǐn)?shù)。所述條紋編碼計(jì)數(shù)法是將來(lái)自光電探測(cè)器的正弦(sin)接入反相器形成正弦反相信號(hào)(-sin)，再將來(lái)自光電探測(cè)器的正弦(sin)信號(hào)、余弦(cos)信號(hào)、正弦反相信號(hào)(-sin)以及地(0)信號(hào)接入比較器。該比較器內(nèi)部由四個(gè)子比較器組成，分別為比較器0、比較器l、比較器2以及比較器3，分別用來(lái)比較輸入的兩個(gè)信號(hào)。其中，比較器0對(duì)正弦(sin)和地(0)信號(hào)進(jìn)行比較，也即比較器O定義為sin-0:類似的，比較器l定義為-sin-cos，比較器2定義為sin-cos，比較器3定義為cos-0。再定義比較結(jié)果大于0輸出為'1'，小于0則輸出為'0，。于是，比較器形成四位二進(jìn)制變量記為x,即(cos-0，sin-cos，-sin-cos，sin-0)，其中x(0)對(duì)應(yīng)比較器0，x(l)對(duì)應(yīng)比較器l，x(2)對(duì)應(yīng)比較器2，x(3)對(duì)應(yīng)比較器3。需要指出的是，該四位變量也可以通過(guò)其他方法形成，如加法器、減法器等。最后將該四位二進(jìn)制變量輸入FPGA中進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。如圖1所示。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)，該四位二進(jìn)制變量取值以及取值順序?qū)l(fā)生變化。通過(guò)FPGA對(duì)該四位二進(jìn)制變量進(jìn)行計(jì)數(shù)處理則能夠精確檢測(cè)出被測(cè)物的位移變化量以及移動(dòng)方向。圖2是被測(cè)物體正向移動(dòng)時(shí)四位二進(jìn)制變量變化示意圖。圖2(A)中曲線a，b為正余弦曲線，曲線c為正弦取反(-sin)曲線。圖2(B)中如以T/8(T為干涉條紋周期)為采樣間隔，則四位二進(jìn)制變量x取值及變化順序?yàn)?001，1101，0101，0111，0110，0010，1010，1000，1001，…；被測(cè)物體反向移動(dòng)時(shí)變量x取值及變化順序同理可得出。X取值及其值變化順序如表1所示c<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表1被測(cè)物正反向移動(dòng)時(shí)變量x取值及變化順序從表中可以發(fā)現(xiàn)被測(cè)物正向或反向移動(dòng)時(shí)的每個(gè)條紋區(qū)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的變量x值的變化是唯一的。也即計(jì)數(shù)電路(FPGA)根據(jù)變量x的取值和其值變化順序可以判別出正向或反向具體某個(gè)條紋區(qū)間。如對(duì)一個(gè)正向區(qū)間計(jì)數(shù)電路加1而一個(gè)反向區(qū)間減1，則FPGA就能精確分辯出被測(cè)物體的位移變化量和運(yùn)動(dòng)方向，而且位移分辨率可以達(dá)到T78(T':條紋當(dāng)量，也即一個(gè)條紋所對(duì)應(yīng)的位移量)的分辨率。當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生細(xì)微振蕩時(shí)對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器的波形曲線及四位二進(jìn)制變量x取值如圖3所示。圖3(A)為物體細(xì)微振動(dòng)時(shí)的位移曲線圖，圖3(B)中曲線a為正弦信號(hào)，b為余弦信號(hào)，c為正弦取反(-sin)信號(hào)，此時(shí)一個(gè)周期T內(nèi)變量x取值及其變化順序(圖3(C))為1001，1101，1101，1001，1000，1010，1010，1000。據(jù)此，對(duì)照表1可知被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向和條紋的區(qū)間分別為正向第I區(qū)間、反向第II區(qū)間、反向第III區(qū)間、正向第IV區(qū)間。設(shè)N為振蕩前計(jì)數(shù)值，則計(jì)數(shù)電路相應(yīng)計(jì)數(shù)為N+1—1一1+1二N，也即在該周期T內(nèi)計(jì)數(shù)值不變，這和圖3(A)中位移曲線在該周期T內(nèi)位移為O是一致的。所以即使當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生細(xì)微振蕩時(shí)，本發(fā)明提出的條紋編碼計(jì)數(shù)法也是能夠正確計(jì)數(shù)的。條紋編碼計(jì)數(shù)法允許正弦和余弦信號(hào)之間相位偏差可以達(dá)到接近;r/4。如圖4所示，信號(hào)相位偏差只影響變量x取某個(gè)值的持續(xù)時(shí)間，不影響其值本身和變化順序，也即正余弦信號(hào)的相位偏差不會(huì)帶來(lái)計(jì)數(shù)誤差。權(quán)利要求1.一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法，其特征在于該方法的步驟如下1)把光學(xué)干涉條紋信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；2)將來(lái)自光電探測(cè)器的正弦、以及經(jīng)反相器處理的反相正弦、余弦和地信號(hào)四路分別輸入比較器；3)比較器輸出四位二進(jìn)制變量的編碼；4)根據(jù)該四位二進(jìn)制編碼以及該編碼的變化順序來(lái)對(duì)光學(xué)干涉條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法，其特征在于所述的四位二進(jìn)制變量的編碼是cos-O，sin-cos，-sin-cos和sin-0，或以上的任意排列。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法，其特征在于該編碼計(jì)數(shù)方法中的3)、4)步驟能夠固化在大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐稦PGA或CPLD中實(shí)現(xiàn)，也能夠通過(guò)單片機(jī)或DSP方法實(shí)現(xiàn)。全文摘要本發(fā)明公開了一種光學(xué)干涉條紋編碼計(jì)數(shù)法。把光學(xué)干涉條紋信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；將來(lái)自光電探測(cè)器的正弦、以及經(jīng)反相器處理的反相正弦、余弦和地信號(hào)四路分別輸入比較器；比較器輸出四位二進(jìn)制變量的編碼；通過(guò)本發(fā)明的條紋編碼計(jì)數(shù)法，使測(cè)量系統(tǒng)能精確分辨出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)方向和位移變化值，包括被測(cè)物細(xì)微振蕩時(shí)。位移分辨率可以達(dá)到T’/8(T’條紋當(dāng)量，也即一個(gè)條紋所對(duì)應(yīng)的位移量)的分辨率；正弦和余弦信號(hào)之間相位允許偏差，且可以達(dá)到接近π/4；通過(guò)編碼計(jì)數(shù)法固化在FPGA中使其實(shí)時(shí)性好。文檔編號(hào)G01D5/26GK101144728SQ20071015633公開日2008年3月19日申請(qǐng)日期2007年10月19日優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日發(fā)明者周硯江,穆瑞珍,羅劍波,陳本永申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)