專利名稱：基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型主要涉及精密位移測量中的光柵莫爾條紋細分方法和精密位移測量裝置，提出了一種可達到納米分辨カ的光柵莫爾條紋高倍細分方法。
背景技術(shù)：
光柵莫爾條紋細分及位移測量國外研究條紋及其在光柵傳感器中應(yīng)用最知名機構(gòu)是德國HEIDENHAIN，其高品質(zhì)技術(shù)和產(chǎn)品是在精湛的光刻エ藝、優(yōu)質(zhì)材料和先進的實驗生產(chǎn)條件基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，其產(chǎn)品已達納米級，但對國內(nèi)禁售。英國RENISHAW也是國際上具有影響カ的光柵數(shù)顯企業(yè)，其研制的創(chuàng)新非接觸式光學(xué)結(jié)構(gòu)的光柵系統(tǒng)在實現(xiàn)精確測量、高分辨カ和零機械磁滯的同時有很強的抗污能力。日本MITUT0Y0、西班牙FAG0R、美國microE等也是世界著名光柵尺和數(shù)顯制造商。目前國外產(chǎn)品壟斷著市場。國內(nèi)研究主要是在提高刻線密度、光學(xué)細分、電子細·分三個方面。在提高光刻エ藝方面國家支持的重大科研裝備研制項目“大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)”目標(biāo)是實現(xiàn)大尺寸高精密的刻劃，打破國外的壟斷和限制。在光學(xué)細分方面主要包括二次莫爾條紋信號細分、等腰閃耀光柵的光學(xué)細分、合成波長條紋細分等方法。光刻法和光學(xué)細分法造價昂貴，細分?jǐn)?shù)和量程提高空間有限。在電子細分方面主要包括動態(tài)跟蹤細分、CM0S、CCD細分、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)細分、鎖相細分等。目前電子細分方法存在的主要問題是高細分、高速度、大量程之間的矛盾問題。因此需要提高有效的細分?jǐn)?shù)，有效的細分方法是在獲得高細分的同時還要實現(xiàn)高速度。
發(fā)明內(nèi)容實用新型目的本實用新型提供一種基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，其目的是解決以往的方法效果不理想的問題。技術(shù)方案本實用新型專利是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括光柵傳感器、儀器放大器、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基于FPGA的SOPC系統(tǒng)；光柵傳感器連接至儀器放大器，儀器放大器連接至抗混疊濾波器，抗混疊濾波器連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)。該設(shè)備還包括鍵盤和顯示單元，鍵盤和顯示單元連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)?；贔PGA的SOPC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和同步控制脈沖單元；同步控制脈沖單元分別連接至并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至并行數(shù)據(jù)采集単元，并行數(shù)據(jù)處理單元連接鍵盤和顯示單元。優(yōu)點及效果本實用新型提供的基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分方法，其優(yōu)點及效果如下I)自適應(yīng)各種國內(nèi)外光柵傳感器，易于實現(xiàn)產(chǎn)品化。2)基于空間兩點及以上的細分算法計算量少、速度快。[0012]3)該細分方法能夠滿足高分辨カ、高速度、大量程光柵位移測量與控制需要。


圖I為基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備框圖；圖2為基于少量空間點的莫爾條紋細分工作流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型專利做進ー步的描述如圖I所示為本實用新型的基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，該設(shè)備中光柵傳感器連接至儀器放大器，儀器放大器連接至抗混疊濾波器，抗混疊濾波器連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)；該基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備中還包括有鍵盤和顯示單元，鍵盤和顯示單元連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)?；贔PGA的SOPC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和同步控制脈沖單元；同步控制脈沖單元分別連接至并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至并行數(shù)據(jù)采集単元，并行數(shù)據(jù)處理單元連接鍵盤和顯示單元。莫爾條紋信號空間與時間的采集是直接利用光柵傳感器內(nèi)置的光電轉(zhuǎn)換器或采用CCD或CMOS及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。利用光柵傳感器輸出的四路空間信號確定在某ー時刻光柵的位置，兩次相鄰時刻的位置差累加后為總位移。采用高精度高速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和空間少量點算法獲得高分辨力，可實現(xiàn)納米級高倍細分。目前國內(nèi)外的光柵傳感器普遍為四路信號輸出，本申請適用于目前各類國內(nèi)外傳感器，易于實現(xiàn)產(chǎn)品化。該方法是基于空間莫爾條紋周期性、正弦性分布的特點，具有細分?jǐn)?shù)高、運算量小、速度快，可用于基于條紋原理的各類精密位移測量、定位與控制中。莫爾條紋空間信號采集ー種方法是直接采集光柵傳感器輸出的四路信號，另ー種方法是增加空間光電管數(shù)量或采用CCD、CMOS替代光電管提高空間點數(shù)和空間分辨力，設(shè)光柵莫爾條紋間距為L，則該條紋在頻率域中的基頻為
α° = 由采樣定理可知，要使采樣后莫爾條紋信號的頻譜不發(fā)生混疊，則要求條紋的空間采樣頻率滿足下式
,2
Λ > I因此在ー個莫爾條紋信號周期之內(nèi)至少放置兩個光電管以保證采集后莫爾條紋的頻譜不發(fā)生混疊。莫爾條紋時間信號采集首先采用儀器放大器和濾波器對信號去噪、抗混疊濾波處理，然后搭建高速高精度同歩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集傳感器輸出的莫爾條紋信號，采用基于FPGA的SOPC對采集系統(tǒng)進行控制、實現(xiàn)細分算法；采集的幅值分辨カ決定空間位置的精度，采集的速度決定兩次位置差的精度即位移的分辨力，根據(jù)實際的精度和速度的要求與應(yīng)用場合，可以選擇不同的AD，指標(biāo)計算如下針對柵距20um，跟蹤速度為2m/s的常用傳感器，對應(yīng)信號的最高輸出頻率為ΙΟΟΚΗζ，采用250MHz的16位AD，可達到納米級分辨力，對應(yīng)的細分?jǐn)?shù)為2500，提高采樣速度、選擇高質(zhì)量傳感器和低指標(biāo)要求時將進一歩提高細分?jǐn)?shù)和分辨カ；如圖2所示，光柵莫爾條紋細分原理及實現(xiàn)某ー時刻的空間位置確定ー個周期空間莫爾條紋成正弦型分布，利用空間采集點擬合莫爾條紋正弦信號，對正弦信號抽樣的原則是抽樣頻率應(yīng)為信號頻率的整數(shù)倍，抽樣點數(shù)應(yīng)包含整周期。當(dāng)正弦信號相位未知吋，抽樣頻率至少應(yīng)取正弦頻率的三倍。當(dāng)相位已知時，僅抽樣兩個不為零點，即可重建原信號。這時正弦信號的抽樣滿足抽樣定理，當(dāng)用DFT做頻譜分析吋，頻域不會發(fā)生泄漏。因為在實際工作中相位可能是未知的；對正弦信號的抽樣不宜補零^DFT做快速計算時，又希望數(shù)據(jù)點數(shù)N最好為2的整次冪。因此，對正弦信號抽樣時，ー個周期內(nèi)最好抽四個點。光柵傳感器輸出的空間四路信號在同一時刻構(gòu)成ー個空間周期，即對光柵莫爾條紋空間正弦信號均勻采集了四點，滿足上述要求，因此完全可以由這四點構(gòu)造出正弦函數(shù)。設(shè)空間四點的坐標(biāo)為(XI，yl)、(x2, y2)、(x3, y3)、(x4, y4)，構(gòu)造的正弦函數(shù)為:
權(quán)利要求1.基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括光柵傳感器、儀器放大器、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基于FPGA的SOPC系統(tǒng)；光柵傳感器連接至儀器放大器，儀器放大器連接至抗混疊濾波器，抗混疊濾波器連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，其特征在于該設(shè)備還包括鍵盤和顯示單元，鍵盤和顯示單元連接至基于FPGA的SOPC系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，其特征在于基于FPGA的SOPC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和同步控制脈沖單元；同步控制脈沖單元分別連接至并行數(shù)據(jù)采集単元、并行數(shù)據(jù)處理単元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接至并行數(shù)據(jù)采集単元，并行數(shù)據(jù)處理單元連接鍵盤和顯示單元。
專利摘要本實用新型公開了一種基于少量空間點的莫爾條紋高倍細分設(shè)備，該設(shè)備包括光柵傳感器、儀器放大器、抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基于FPGA的SOPC系統(tǒng),可以應(yīng)用在大量程位移快速精密測量、定位與控制中。在某一時刻利用光柵傳感器輸出的四路空間信號確定光柵的位置，兩次相鄰時刻的位置差累加獲得總位移。采用高精度高速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和空間少量點細分算法獲得高分辨力的高倍細分。該方法充分利用空間莫爾條紋周期性、正弦性的特點，并采用FPGA實現(xiàn)算法，具有運算量小、速度快、細分?jǐn)?shù)高等特點，可解決光柵大量程精密位移測控中高分辨力、高速度、大量程之間的矛盾問題。
文檔編號G01B11/02GK202661045SQ20122025633
公開日2013年1月9日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者常麗 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)