專利名稱：軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測量裝置及其方法，尤其是涉及一種幾何量精密計量中的激光干涉、光柵等條紋信號的計數(shù)細(xì)分裝置及采用該裝置進(jìn)行軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分的方法
背景技術(shù)：
采用激光干涉、光柵、容柵、磁柵原理制成的位移測量裝置在科研及工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在測量過程中，基于上述原理制成的傳感器在理想情況下輸出兩路相位差為90°、幅度相同、直流偏置為零的理想信號。但實際上由于設(shè)計安裝等誤差因素的存在，從傳感器不易直接獲得兩路理想信號。然而一般號信號處理方法往往需要傳感器輸出為理想信號，否則很難達(dá)到較高的細(xì)分精度。例如《自動化儀表》第31卷第5期“C0RDIC算法在光柵莫爾條紋細(xì)分中的應(yīng)用”中指出，細(xì)分計算需要兩路信號，需要在理想信號的情況下才能獲得較好的細(xì)分精度。中國發(fā)明專利(CN200310110671. 5)“相位誤差不敏感的交點跟蹤式莫爾干涉條紋信號計數(shù)細(xì)分方法及裝置”提出了一種能夠滿足于非理想信號的信號處理方法及裝置，將傳感器直接輸出的非理想信號通過軟件的計算處理進(jìn)行標(biāo)定后獲得誤差參數(shù)，最終從非理想信號中分離出理想信號再進(jìn)行雙路計算細(xì)分的系統(tǒng)。與采用傳統(tǒng)的計算機(jī)細(xì)分方法類似，其基本過程是將兩路信號組成分成8個區(qū)間，由8個區(qū)間的邏輯組合判斷及計算等流程來實現(xiàn)細(xì)分和計數(shù)，這種方法雖然可以避免振動和信號電子噪聲等導(dǎo)致的誤計數(shù)，但是其處理過程是以軟件的程序計算為主的方法，測前需要歸一化等一系列復(fù)雜過程，其計數(shù)細(xì)分速度依賴于程序計算處理的速度，因而細(xì)分及計數(shù)的速度受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不依賴于軟件程序，通過硬件結(jié)構(gòu)解決干涉信號的高精度細(xì)分及計數(shù)速度受限的問題。本發(fā)明提供一種軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其對兩路干涉條紋信號進(jìn)行處理，該裝置包括位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路，其采用跟蹤脈沖對兩路干涉條紋信號的特征位置進(jìn)行位置跟蹤；位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路，其對特征位置的跟蹤脈沖進(jìn)行編碼判斷并產(chǎn)生計數(shù)脈沖和位移方向信號；細(xì)分電路模塊，其對兩路干涉條紋信號中的任意一路產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號和細(xì)分脈沖信號；大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將計數(shù)脈沖、位移方向信號、細(xì)分小數(shù)信號以及細(xì)分脈沖信號結(jié)合處理獲得位移值。其中，進(jìn)一步包括信號調(diào)理電路和至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其中，該信號調(diào)理電路對兩路干涉條紋信號進(jìn)行放大及調(diào)偏置；經(jīng)該信號調(diào)理電路處理后的兩路干涉條紋信號輸入到所述至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所述位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路。其中，所述至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將干涉條紋信號數(shù)字化，將數(shù)字化后的信號輸入到所述細(xì)分模塊。
其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路、所述細(xì)分電路模塊以及所述小數(shù)結(jié)合及位移解算電路位于同一 FPGA芯片上。本發(fā)明提供一種軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其包括利用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路獲得兩路干涉條紋信號大數(shù)特征；采用細(xì)分電路模塊對兩路干涉條紋信號中的任意一路獲得干涉條紋小數(shù)特征；利用大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將大數(shù)和小數(shù)結(jié)合處理，輸出位移值。其中，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路對兩路干涉信號的特征位置進(jìn)行位置跟蹤，通過4路位置跟蹤脈沖分別對應(yīng)4個特征位置，對應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖輸入到位置跟蹤編碼及辨向計數(shù)電路。其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲，在計數(shù)位置處，位置脈沖通過辯向及計數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值進(jìn)行辯向計數(shù)，輸出方向性信號和計數(shù)脈沖。其中，所述細(xì)分電路模塊同時產(chǎn)生16位細(xì)分小數(shù)信號和細(xì)分脈沖信號輸出，細(xì)分小數(shù)信號利用CORDIC算法實現(xiàn)單路反正弦函數(shù)計算，細(xì)分脈沖信號由CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。其中，兩路路干涉條紋信號在進(jìn)入位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和細(xì)分電路模塊之前，信號調(diào)理電路對所述兩路干涉條紋信號進(jìn)行放大及調(diào)偏置。為實現(xiàn)采用硬件電路對干涉信號的抗振動等干擾的正確可逆計數(shù)，以及解決在非理想信號情況下實現(xiàn)高精度細(xì)分。本發(fā)明為基于激光干涉、光柵等測量原理的位移傳感器提供了一種采用硬件電路實現(xiàn)的在非理想信號情況下進(jìn)行高速高精度細(xì)分計數(shù)方法及裝置。


圖I本發(fā)明的計數(shù)細(xì)分裝置的電路框圖結(jié)構(gòu)示意圖；圖2兩路非正交干涉信號示意圖；圖3干涉條紋單路細(xì)分示意圖；圖4大小數(shù)結(jié)合示意圖；圖5信號調(diào)理電路示意圖；圖6位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路示意圖；圖7位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路示意圖； 圖8細(xì)分電路模塊示意圖；圖9大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并結(jié)合實際實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，下述的實施方式只是為了便于理解本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)理解為對發(fā)明內(nèi)容的具體限定。圖I為計數(shù)細(xì)分裝置的電路框圖結(jié)構(gòu)。如圖I所示，第一光電信號接收與轉(zhuǎn)換電路I和第二光電信號接收與轉(zhuǎn)換電路2分別接收激光干涉條紋信號，優(yōu)選該光電信號接收電路為光電探測器、光電二極管或光電接收器等光電轉(zhuǎn)換部件；兩路干涉條紋信號不需要正交等幅度，信號調(diào)理電路3將兩路所述條紋信號進(jìn)行放大和偏置以適應(yīng)高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器4、5的模擬輸入范圍和位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16的位置跟蹤過零觸發(fā)要求。對于信號調(diào)理電路3來說，其作用是將光電信號接收與轉(zhuǎn)換電路得到的干涉信號進(jìn)行放大及調(diào)偏置，以使得其在高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD的輸入范圍內(nèi)。其具體電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16實現(xiàn)4路位置跟蹤脈沖15，4路位置跟蹤脈沖15輸入到位置跟蹤編碼及辨向計數(shù)電路13，該位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路13通過對四路脈沖信號的處理，實現(xiàn)對位置脈沖的編碼判斷并產(chǎn)生計數(shù)脈沖11和位移方向信號12。雙路高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD 4、5將信號調(diào)理電路3輸出的信號數(shù)字化，選擇兩路干涉條紋信號中的任意一路，基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)實現(xiàn)的細(xì)分電路模塊6同時產(chǎn)生兩細(xì)分信號輸出，16位細(xì)分小數(shù)信號8和細(xì)分脈沖信號7。細(xì)分小數(shù)信號8利用CORDIC算法實現(xiàn)單路反正 弦函數(shù)計算，細(xì)分脈沖信號7則是CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。用上面的兩種細(xì)分方法配合產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號和細(xì)分脈沖信號，兩種細(xì)分信號的產(chǎn)生全部依靠硬件電路實現(xiàn)。如圖I所示，對一路干涉信號進(jìn)行處理后獲得的細(xì)分脈沖信號7、細(xì)分小數(shù)信號8和對兩路干涉信號進(jìn)行分析處理后獲得的計數(shù)脈沖11和位移方向信號12均輸入到大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路10，該大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路10將前面信號處理電路輸出的大小數(shù)信號做進(jìn)一步處理，并將處理結(jié)果輸出到位移顯示測量模塊中。對于兩路干涉條紋信號來說，如果分別用矢量&表示，則干涉條紋信號可以用它們的合成矢量^ =4 + 來表示，如圖2，矢量；|逆時針旋轉(zhuǎn)對應(yīng)干涉正向移動、順時針旋轉(zhuǎn)對應(yīng)干涉負(fù)向移動，在2運動的軌跡21上的提取個4特征位置A、B、C、D。根據(jù)4個特征位置A、B、C、D形成的位置碼表采用硬件電路進(jìn)行邏輯判斷，從而進(jìn)行辯向與計數(shù)。如圖I中所示，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16對4個特征位置A、B、C、D進(jìn)行位置跟蹤，其中，通過4路位置跟蹤脈沖15分別對應(yīng)4個特征位置，對應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖15輸入到位置跟蹤編碼及辨向計數(shù)電路13，該位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路13通過對四路脈沖信號的處理，實現(xiàn)對位置脈沖的編碼判斷并產(chǎn)生計數(shù)脈沖11和位移方向信號12。對于位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16，其在兩路干涉信號的特征位置A、B、C、D處產(chǎn)生位置脈沖，其如圖6所給出一路干涉信號產(chǎn)生位置脈沖A、C的電路結(jié)構(gòu)，另一路電路相同。電路的基本工作原理為首先將一路信號反相得到兩路相位相反的信號，然后用高速運算放大器組成過零滯回比較將干涉信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?，方波信號再?jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路分別形成過零觸發(fā)脈沖信號A、Co對于位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)脈沖發(fā)生電路13，其具體的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路首先將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲，在計數(shù)位置A處，位置脈沖A通過辯向及計數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值，根據(jù)表2的邏輯進(jìn)行辯向計數(shù)，輸出方向性信號和計數(shù)脈沖。通過兩路具有相位差的干涉信號的處理產(chǎn)生干涉大數(shù)。方法為軌跡跟蹤方法，具體是在干涉信號軌跡上的四個特征位置A、B、C、D分別形成軌跡跟蹤編碼，將每個位置產(chǎn)生的軌跡跟蹤位置編碼按時間順序鎖存至寄存器，每當(dāng)軌跡運動到位置A處進(jìn)即行邏輯判斷而可逆計數(shù)。在4個特征位置A、B、C、D，位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路16會產(chǎn)生4路位置跟蹤脈沖15，這些脈沖形成4位二進(jìn)制編碼(AB⑶格式按D3D2D1D0)，具體編碼格式及邏輯分析分別見表I、表2，無論鎖存的個數(shù)，只在位置處A對最后鎖存的4個編碼進(jìn)行判斷，如符合表2計數(shù)狀態(tài)，則相應(yīng)計數(shù)，如不符合計數(shù)狀態(tài)，則說明在A位置處或附近晃動或還沒有走完一個完整的軌跡，則計數(shù)狀態(tài)保持，其過程依靠硬件電路實現(xiàn)。表I
權(quán)利要求
1.一種軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其對兩路干涉條紋信號進(jìn)行處理，該裝置包括位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路，其采用跟蹤脈沖對兩路干涉條紋信號的特征位置進(jìn)行位置跟蹤；位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路，其對特征位置的跟蹤脈沖進(jìn)行編碼判斷并產(chǎn)生計數(shù)脈沖和位移方向信號；細(xì)分電路模塊，其對兩路干涉條紋信號中的任意一路產(chǎn)生細(xì)分小數(shù)信號和細(xì)分脈沖信號；大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將計數(shù)脈沖、位移方向信號、細(xì)分小數(shù)信號以及細(xì)分脈沖信號結(jié)合處理獲得位移值。
2.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其中，進(jìn)一步包括信號調(diào)理電路和至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求2所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其中，該信號調(diào)理電路對兩路干涉條紋信號進(jìn)行放大及調(diào)偏置；經(jīng)該信號調(diào)理電路處理后的兩路干涉條紋信號輸入到所述至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所述位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路。
4.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其中，所述至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將干涉條紋信號數(shù)字化，將數(shù)字化后的信號輸入到所述細(xì)分模塊。
5.如權(quán)利要求I所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置，其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路、所述細(xì)分電路模塊以及所述小數(shù)結(jié)合及位移解算電路位于同一 FPGA芯片上。
6.一種軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其包括利用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路獲得兩路干涉條紋信號大數(shù)特征；采用細(xì)分電路模塊對兩路干涉條紋信號中的任意一路獲得干涉條紋小數(shù)特征；利用大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路，其將大數(shù)和小數(shù)結(jié)合處理，輸出位移值。
7.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其中，采用位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路對兩路干涉信號的特征位置進(jìn)行位置跟蹤，通過4路位置跟蹤脈沖分別對應(yīng)4個特征位置，對應(yīng)特征位置處的位置跟蹤脈沖輸入到位置跟蹤編碼及辨向計數(shù)電路。
8.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其中，所述位置跟蹤編碼及辯向計數(shù)電路將位置跟蹤脈沖形成編碼值后存儲，在計數(shù)位置處，位置脈沖通過辯向及計數(shù)邏輯電路讀取鎖存的位置狀態(tài)值進(jìn)行辯向計數(shù)，輸出方向性信號和計數(shù)脈沖。
9.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其中，所述細(xì)分電路模塊同時產(chǎn)生16位細(xì)分小數(shù)信號和細(xì)分脈沖信號輸出，細(xì)分小數(shù)信號利用CORDIC算法實現(xiàn)單路反正弦函數(shù)計算，細(xì)分脈沖信號由CORDIC算法細(xì)分的小數(shù)與內(nèi)插細(xì)分電路相結(jié)合產(chǎn)生。
10.如權(quán)利要求6所述的軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分方法，其中，兩路路干涉條紋信號在進(jìn)入位置跟蹤脈沖產(chǎn)生電路和細(xì)分電路模塊之前，信號調(diào)理電路對所述兩路干涉條紋信號進(jìn)行放大及調(diào)偏置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軌跡跟蹤式干涉信號計數(shù)細(xì)分裝置及方法。該裝置包括光電信號接收與轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、至少兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、位置跟蹤脈沖發(fā)生電路、細(xì)分電路模塊、大小數(shù)結(jié)合及位移解算電路等。其中，通過對雙路干涉信號分析處理產(chǎn)生大數(shù)、對單路信號細(xì)分產(chǎn)生小數(shù)，使得干涉信號的相位非正交誤差不會影響細(xì)分精度；采用基于特征位置的軌跡跟蹤方法實現(xiàn)干涉條紋計數(shù)，解決在在有振動等干擾情況下的正確計數(shù)問題；采用硬件電路實現(xiàn)軌跡跟蹤細(xì)分計數(shù)，計數(shù)速度只受硬件電路的頻響限制，因而可以用于高速位移測量。
文檔編號G01B11/02GK102636127SQ20121012394
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者葉孝佑, 常海濤, 高宏堂 申請人:中國計量科學(xué)研究院