專利名稱：移位測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移位測量裝置，具體涉及ー種用于測量位移的精確測量儀器。
背景技術(shù)：
移位測量裝置通常是通過掃描移動軌道上的條紋，由光源發(fā)出的光線隨著距離的變化，信號受到標(biāo)準(zhǔn)光柵上的刻線條紋和指示光柵上刻線條紋的調(diào)制，從而產(chǎn)生與位置相關(guān)的光電信號。這種移位測量裝置還包括多個(gè)探測単元，用來把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，這些探測單元通常人們采用的探測單元有4個(gè)，每個(gè)探測單元分別接收光電信號為O度、90度、180度、270度，并把相位對應(yīng)為O度的電信號和相位對應(yīng)為180度的電信號進(jìn)行差分，把相位對應(yīng)為90度的電信號和相位對應(yīng)為270度的電信號進(jìn)行差分，去除背底信號，得到兩路相位相差為90度的正弦信號。在專利EP 1081457A1, US 7159781B2及其同族專利中公布了ー種位置測量裝置的掃描頭，能利用的探測單元陣列的排列，把四個(gè)相位的光信號進(jìn)行間插接收，把探測單元陣列分成四組，每組的探測單元的排列周期是ー樣的，只是組與組之間具有固定的相位差，相鄰探測単元之間的相位差為90度，也就是首先是O度探測單元后面是90度探測單元，然后是180度探測單元，最后是270度探測單元，在270度探測單元后面為O度探測單元，如此循環(huán)。探測單元之間的空間位置關(guān)系決定于信號的空間分布，也就是，光線發(fā)出的光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光柵上的刻線條紋和指示光柵上刻線條紋的調(diào)制后，在探測器所在的平面上形成沿測量方向上光強(qiáng)度成近似正弦的分布，探測單元的分布周期同該光強(qiáng)沿測量方向正弦分布的周期相同。這種技術(shù)雖仍然是接收四個(gè)相位的光信號，但是由于間插排列，使得污染對于四個(gè)相位的影響盡量相同，所以不會影響相位的正交性關(guān)系，因此對信號細(xì)分的影響也很小探測單元的周期越大，信號的平均作用就越明顯，抗污染的能力就越強(qiáng)。如果由于設(shè)計(jì)體積要求更小，或者光源的光斑所占的面積較小，那么探測單元陣列所占的空間有限，平均效果就不會特別明顯，因而抗污染能力在這種情況下就受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為進(jìn)ー步提高信號的平均作用，需要在同樣的探測單元數(shù)量的情況下，包含更多的探測周期，盡量在由于設(shè)計(jì)體積要求更小，或者光源的光斑所占的面積較小等制約下提高信號質(zhì)量，提供ー種移位測量裝置。
移位測量裝置，該裝置包括標(biāo)準(zhǔn)光柵和光電讀數(shù)頭，所述光電讀數(shù)頭包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、指示光柵、光電接收単元和信號處理電路；所述信號處理電路包括濾波和放大模塊、第一差分模塊、第二差分模塊、第一運(yùn)算模塊和第二運(yùn)算模塊；所述光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變?yōu)闇?zhǔn)直光，所述準(zhǔn)直光依次經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光柵和指示光柵調(diào)制，得到調(diào)制后的光強(qiáng)信號，光電接收単元將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電信號；
所述光電接收單元包括多個(gè)探測単元，所述多個(gè)探測單元分為三組，同相位的探測單元為ー組，每組探測單元相互連接生成ー組信號，三組探測単元生成的三組信號由信號處理電路接收，并將接收的三組信號經(jīng)信號處理電路中的濾波和放大模塊進(jìn)行濾波和放大，并將濾波和放大的后的三組信號中的ー組信號作為公用信號，所述公用信號分別與另外兩組信號在第一差分模塊和第二差分模塊中進(jìn)行差分運(yùn)算，得到差分運(yùn)算后的兩組信號，第一差分模塊和第二差分模塊將運(yùn)算后的兩組信號分別輸入至第一運(yùn)算模塊和第二運(yùn)算模塊，所述第一運(yùn)算模塊和第二運(yùn)算模塊分別輸出正弦信號和余弦信號。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的移位測量裝置中將信號分為三組，而不同與前述專利所采用的信號分成四組，而在信號處理過程當(dāng)中，前述專利中的信號處理電路中對于四路信號處理過程中沒有采用公共信號消除背底電平，而本發(fā)明中采用公共信號消除背底電平。這樣的設(shè)置中，由于每個(gè)周期的光信號只用了三個(gè)探測單元來接收，在相同探測單元數(shù)量，光電接收単元沿測量方向探測長度不變的條件下，得到了更多周期的光信號，進(jìn)ー步調(diào)高了信號的平均作用，增強(qiáng)了裝置的抗污染能力。


圖1為本發(fā)明所述的移位測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示的移位測量裝置中的指示光柵和光電接收単元的示意圖；圖3為圖1所示的光電接收單元及信號處理電路原理示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖I至圖3說明本實(shí)施方式，移位測量裝置，該裝置包括標(biāo)準(zhǔn)光柵2，為包括有按標(biāo)準(zhǔn)周期刻劃的標(biāo)記刻度，光電讀數(shù)頭1，在測量方向上進(jìn)行掃描讀數(shù)，所述光電讀數(shù)頭I包括光源1-1、光學(xué)系統(tǒng)1-2、指不光柵1-3、光電接收單兀1-4和信號處理電路1-5,所述指示光柵1-3包括有按掃描周期刻劃的標(biāo)記的刻度，該掃描周期不同于標(biāo)準(zhǔn)周期，所述光電接收単元1-4包括由多個(gè)探測単元1-4-2組成的探測單元陣列，光源1-1發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)1-2變?yōu)闇?zhǔn)直光，所述準(zhǔn)直光依次經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光柵2和指示光柵1-3調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，所述信號處理電路1-5用于處理來自光電接收單兀1-4的光電信號,光電接收単元1-4中的多個(gè)探測単元1-4-2分成三個(gè)組，同相位的探測單元1-4-2屬于同一個(gè)組，同一個(gè)組的探測單元1-4-2相互連接生成ー組信號，三組探測単元1-4-2生成三組信號，信號處理電路1-5接收來自光電接收單元1-4來的三組信號，所述信號處理電路1-5包括濾波和放大模塊1-5-5、第一差分模塊1-5-1、第二差分模塊1-5-2、第一運(yùn)算模塊1_5_3和第二運(yùn)算模塊1-5-4 ;并將接收的三組信號經(jīng)信號處理電路1-5中的濾波和放大模塊1-5-5進(jìn)行濾波和放大，并將濾波和放大的后的三組信號中的ー組信號作為公用信號，所述公用信號分別與另外兩組信號在第一差分模塊1-5-1和第二差分模塊1-5-2中進(jìn)行差分運(yùn)算，得到差分運(yùn)算后的兩組信號，第一差分模塊1-5-1和第二差分模塊1-5-2將運(yùn)算后的兩組信號分別輸入至第一運(yùn)算模塊和第二運(yùn)算模塊1-5-4，所述第一運(yùn)算模塊1-5-3和第二運(yùn)算模塊1-5-4分別輸出正弦信號和余弦信號。本實(shí)施方式所述的所述三組探測單元1-4-2生成的三組信號中，相鄰兩組信號的相位差為120度；所述的第一運(yùn)算模塊1-5-3和第二運(yùn)算模塊1-5-4輸出的正弦信號和余弦信號為相差90度的正弦信號和余弦信號。
本實(shí)施方式所述的每組探測単元1-4-2中的探測單元1-4-2的數(shù)量相同，且每組探測單元1-4-2的數(shù)量大于或等于2。所述的光電接收單元1-4中的每個(gè)相鄰探測單元1-4-2之間設(shè)置隔離帶1-4-1，并且每個(gè)探測單元1-4-2的形狀和面積相同。所述探測単元1-4-2為(XD、CMOS或硅光電池中的ー種。本實(shí)施方式所述的信號處理電路1-5可以是單片機(jī)、FPGA(Field-ProgrammableGate Array)或者CPLD (Complex Programmable Logic Device)中的一種；所述的探測單?？梢詾?CCD (Charge-coupled Device)、CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)或者硅光電池中的ー種。信號處理電路(1-5)中的公用信號為接收的三組信號中的任意一組。結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，標(biāo)準(zhǔn)光柵2包括一刻線基體2-1，如玻璃，和按標(biāo)準(zhǔn)周期刻劃的標(biāo)記的刻度2-2，該刻度2-2的每個(gè)周期由某一特定圖案構(gòu)成，比如透光和不透光條紋按照一定的寬度比例組成，該比例可以是預(yù)先設(shè)定的值，比如為11 9，透光和不透光部分的寬度的和等于ー個(gè)周期的寬度，光電讀數(shù)頭1，在測量方向上進(jìn)行掃描讀數(shù)，其包括光源1-1，比如激光二極管，用來發(fā)出輻射光。光學(xué)系統(tǒng)1-2，用來得到準(zhǔn)直光線，通?？梢允签`塊透鏡構(gòu)成，如果為了減小系統(tǒng)的體積，也可以用ー塊透鏡、光闌和ー塊反射鏡構(gòu)成；指示光柵1-3包括有按掃描周期刻劃的標(biāo)記的刻度1-3-1，及一刻線基體1-3-2，該刻度1-3-1和標(biāo)準(zhǔn)光柵刻度2-2在各自基體上的刻劃面相對，該掃描周期不同于標(biāo)準(zhǔn)周期，通常，按照特定的需要進(jìn)行刻劃，例如，標(biāo)準(zhǔn)周期為Tl，掃描周期為T2，并且滿足ηΓΤΙ = η2*Τ2 (I)其中，nl, n2為滿足上述關(guān)系的最小整數(shù),并且滿足nl = n2+l或者nl = n2_l,比如，可以取Tl = 20微米，nl = 50，n2 = 49，那么T2 = 1000/49微米，大約20. 40816微米。光源1-1發(fā)出的光線順次通過標(biāo)準(zhǔn)光柵2和指示光柵1-3，并被標(biāo)準(zhǔn)光柵2上的刻度2-2和指示光柵1-3上的刻度1-3-1調(diào)制，得到調(diào)制后的光強(qiáng)信號，該光強(qiáng)信號沿測量方向上的周期為T = nl*Tl(2)并通過光電接收單元1_4把光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化成電信號。在上面所述的例子中T為1000微米。光電接收単元1-4將從光源1-1發(fā)出，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光柵2和指示光柵1-3調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在圖I中所示的光線是先經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光柵2，然后再經(jīng)過指示光柵1-3，也可以先經(jīng)過指示光柵1-3，然后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光柵2，然后由光電接收単元1-4對調(diào)制后的光電信號進(jìn)行接收。結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，所述光電接收單元1-4包括由多個(gè)探測単元1-4-2組成的探測單元陣列，可以是3*Ν個(gè)探測単元，這里N為大于等于I的整數(shù)，例如，圖2中為9個(gè)探測単元，也可以是12個(gè)、15個(gè)或18個(gè)等。相鄰探測單元間的平移量D3為三分之ー個(gè)沿測量方向上光強(qiáng)變化的周期，所述平移量D3為1000/3微米，即約333.3微米。所述的平移量D3為把某個(gè)探測単元移動到與相鄰探測単元完全重合時(shí)所需要經(jīng)過的沿測量方向上的距離。按照上面的排布關(guān)系，相鄰探測単元所探測到的信號相移120度。每個(gè)探測單元的光電傳感區(qū)寬度為D1，相鄰探測單元間存在有一防止發(fā)生信號串?dāng)_的隔離帶1-4-1，隔離帶1-4-1的寬度標(biāo)志為D2，當(dāng)D3為333. 3微米時(shí)，Dl可以是250微米，那么D2為83. 3微米。在圖2中，各探測單元分別對應(yīng)于指示光柵上不同的區(qū)域，例如，指示光柵1-3的刻度1-3-1的三個(gè)區(qū)域la、lb和Ic分別對應(yīng)于探測單元1-4-2中的2a、2b和2c三個(gè)區(qū)域，并且la、lb和Ic三個(gè)區(qū)域的寬度均為D3，它們之間的虛線表示的間隔線是為了表示經(jīng)過它們調(diào)制的光信號將被不同的探測單元1-4-2接收而畫的，實(shí)際的指示光柵上沒有這些間隔線。從la、lb和Ic三個(gè)區(qū)域出來的光線形成的光強(qiáng)信號，相位依次相差120度，分別可表示為O度信號，120度信號，240度信號。光強(qiáng)信號在測量方向上變化周期為T，一共有至少N個(gè)周期，在圖2中表示有三個(gè)周期。每個(gè)周期需要三個(gè)探測単元1-4-2來接收其光信號，探測單元1-4-2分成三類，分別為O度探測單元，120度探測單元，240度探測單元，各O度探測單元形成ー個(gè)O度探測單元組，各120度探測單元形成ー個(gè)120度探測單元組，各240 度探測單元形成ー個(gè)240度探測單元組，不同類的探測單元屬于不同的組。上述光電接收單元1-4中的探測單元可以為(XD、CMOS或者硅光電池中的ー種。結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，信號處理電路1-5用于處理來自光電接收單元1-4的光電信號，光電接收単元1-4中的多個(gè)探測単元分成三個(gè)組，分別為O度探測單元組，120度探測單元組，240度探測單元組，同一個(gè)組的探測單元是相互連接的，并生成三組信號，三組信號的相位差分別為120度。O度探測單元組輸出的信號標(biāo)志為All，120度探測單元組輸出的信號標(biāo)志為A12,240度探測單兀組輸出的信號標(biāo)志為A13,在信號處理電路1_5中，利用濾波和放大模塊1-5-5對輸入的O度探測單元組輸出的信號All、120度探測單元組輸出的信號A12和240度探測單元組輸出的信號A13進(jìn)行濾波和放大，經(jīng)濾波和放大三組信號分別為信號第一信號A21、第二信號A22和第三信號A23,在本實(shí)例中,把第二信號A22作為公用，第一信號A21和第二信號A22在第一差分模塊1-5-1中消除背底噪聲，該動作可以通過差分運(yùn)算完成，第二信號A22和第三信號A23在模塊1-5-2中消除背底噪聲，該動作也可通過差分運(yùn)算完成。兩組信號通過第一差分模塊1-5-1和第二差分模塊1-5-2生成兩路信號，分別記為第一差分信號A31和第二差分信號A32，該兩路信號輸入到第一運(yùn)算模塊1-5-3中，通過適當(dāng)?shù)慕M合得到正弦信號Ampl，同時(shí)也把信號所述兩路信號輸入到第二運(yùn)算模塊1-5-4中通過適當(dāng)?shù)慕M合得到余弦信號Amp2,其中，正弦信號Ampl和余弦信號Amp2相位差為90度。所述的第一差分模塊1-5-1、第二差分模塊1-5-2、第一運(yùn)算模塊1-5-3、第ニ運(yùn)算模塊1-5-4以及濾波和放大模塊1-5-5中完成的動作可以完全，或者部分由單片機(jī)、FPGA或者CPLD中的ー種完成。本實(shí)施方式中用來作為公用的信號是第二信號A22，來自于120度探測單元組，也可以是來自光電接收單兀1_4的ニ組/[目號中的任何一路。下面敘述上述信號處理電路1-5中的濾波和放大模塊1-5-5、第一差分模塊1-5-1、第二差分模塊1-5-2、第一運(yùn)算模塊1-5-3以及第ニ運(yùn)算模塊1-5-4完成的有關(guān)消除背底噪聲和形成兩路正弦信號Ampl和Amp2的過程為本實(shí)施方式所述的在信號處理電路1-5中經(jīng)濾波和放大模塊1-5-5濾波和放大后的三組信號分別可以表示成A21 = Ac X sin ( Θ ) + Δ(3)A22 = AcXsin( Θ+120。) + Δ (4)Α23 = AcXsin( θ+240。)+ Λ(5)這里，Ac為常數(shù)，表示信號變化的幅值大小，Λ為常數(shù)，表示常數(shù)背底電平信號，式(3)中Θ為第一信號A21正弦部分的相位,式(4)中正弦相位部分表不第二信號A22比信號第一信號A21相位超前120度,式(5)中正弦相位部分表不第三信號A23比第一信號A21相位超前240度，在本實(shí)施方式中，將第二信號A22作為公共信號端在第一差分模塊1-5-1和第二差分模塊1-5-2中分別完成下面計(jì)算，
[
權(quán)利要求
1.移位測量裝置，該裝置包括標(biāo)準(zhǔn)光柵(2)和光電讀數(shù)頭(I)，所述光電讀數(shù)頭(I)包括光源(1-1)、光學(xué)系統(tǒng)(1-2)、指示光柵(1-3)、光電接收単元(1-4)和信號處理電路(1-5);所述信號處理電路(1-5)包括濾波和放大模塊(1-5-5)、第一差分模塊(1-5-1)、第ニ差分模塊(1-5-2)、第一運(yùn)算模塊(1-5-3)和第二運(yùn)算模塊(1-5-4)； 所述光源(1-1)發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)(1-2)變?yōu)闇?zhǔn)直光，所述準(zhǔn)直光依次經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)光柵(2)和指示光柵(1-3)調(diào)制，得到調(diào)制后的光強(qiáng)信號，光電接收単元(1-4)將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)化為電信號；其特征是， 所述光電接收單元(1-4)包括多個(gè)探測単元(1-4-2)，所述多個(gè)探測單元(1-4-2)分為三組，同相位的探測單元(1-4-2)為ー組，每組探測單元(1-4-2)相互連接生成ー組信號，三組探測単元(1-4-2)生成的三組信號由信號處理電路(1-5)接收，并將接收的三組信號經(jīng)信號處理電路(1-5)中的濾波和放大模塊(1-5-5)進(jìn)行濾波和放大，并將濾波和放大的后的三組信號中的ー組信號作為公用信號，所述公用信號分別與另外兩組信號在第一差分模塊(1-5-1)和第二差分模塊(1-5-2)中進(jìn)行差分運(yùn)算，得到差分運(yùn)算后的兩組信號，第一差分模塊(1-5-1)和第二差分模塊(1-5-2)將運(yùn)算后的兩組信號分別輸入至第一運(yùn)算模塊和第二運(yùn)算模塊(1-5-4)，所述第一運(yùn)算模塊(1-5-3)和第二運(yùn)算模塊(1-5-4)分別輸出正弦信號和余弦信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，所述三組探測單元(1-4-2)生成的三組信號中，相鄰兩組信號的相位差為120度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，第一運(yùn)算模塊(1-5-3)和第二運(yùn)算模塊(1-5-4)輸出的正弦信號和余弦信號為相差90度的正弦信號和余弦信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，每組探測單元(1-4-2)中的探測單元(1-4-2)的數(shù)量相同，且姆組探測單元(1-4-2)的數(shù)量大于或等于2。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，所述光電接收單元(1-4)中的每個(gè)相鄰探測單元(1-4-2)之間設(shè)置隔離帶(1-4-1)，并且每個(gè)探測単元(1-4-2)的形狀和面積相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，所述探測単元(1-4-2)為CCD、CMOS或硅光電池中的ー種。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，所述信號處理電路(1-5)為單片機(jī)、FPGA或CPLD中的任意ー種。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的移位測量裝置，其特征在于，信號處理電路(1-5)中的公用信號為接收的三組信號中的任意一組。
全文摘要
移位測量裝置，涉及一種移位測量裝置，為進(jìn)一步提高信號的平均作用，需要在同樣的探測單元數(shù)量的情況下，包含更多的探測周期，盡量在設(shè)計(jì)體積要求更小，或者光源的光斑所占的面積較小等制約下提高信號質(zhì)量，包括標(biāo)準(zhǔn)光柵和光電讀數(shù)頭，光電讀數(shù)頭包括光源、指示光柵、光電接收單元和信號處理電路。光電接收單元由多個(gè)探測單元組成，多個(gè)探測單元組成探測單元陣列，并分成三個(gè)組，同相位的探測單元屬于同一個(gè)組，同一個(gè)組的探測單元是相互連接的。光電接收單元探測至少一個(gè)周期性掃描信號。該光源發(fā)出入射光線，經(jīng)由該掃描掩膜和該標(biāo)準(zhǔn)光柵調(diào)制，該光電接收單元接收經(jīng)過調(diào)制的光信號。本發(fā)明所述的移位測量裝置能有效提高信號的抗污染能力。
文檔編號G01B11/02GK102620658SQ20121008855
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者孫強(qiáng), 張立華, 曾琪峰, 李也凡, 甘澤龍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所