专利名称：双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及工业运动中精密定位技术的领域，具体涉及基于光栅位移传感器的大行程、高精度、高速度的位置检测装置及其方法。
背景技术：
面向集成电路(IC)封装、微机电系统(MEMS)制造等领域应用的大行程(cm级)、高速度(m/s级)和高精度(μm至nm级)定位系统的速度和定位精度主要取决于位置检测单元。目前广泛应用的精密光栅尺位置检测元件存在的以下问题精密光栅位移传感器可达到纳米级分辨率，但由于受到信号检测电路扫描频率的限制，精密光栅位移传感器的最大电气允许移动速度与其分辨率成反比，也就是说要想实现纳米级精密定位，系统运动速度受到精密光栅位移传感器极限速度的限制(一般小于200mm/s)；要想实现对高速度、高加速度运动的系统进行检测定位，而定位精度又受到精密光栅位移传感器分辨率的限制(一般大于0.5μm)。可见，要使单个精密光栅位移传感器同时满足大行程、高速度和高精度的位置检测要求是十分困难的。
发明内容
为了解决单个精密光栅位移传感器无法同时达到大行程、高速度和高精度的位置检测要求的问题，从而提供了一种双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置及其检测方法，它解决了在现有高速、高精度定位系统中使用单个精密位移传感器存在极限检测速度和分辨率相互制约的矛盾问题。
本发明的检测装置由微米级光栅位移传感器1、纳米级光栅位移传感器2和计数及切换电路3组成，微米级光栅位移传感器1的信号输出端连接计数及切换电路3的粗光栅信号输入端，纳米级光栅位移传感器2的信号输出端连接计数及切换电路3的精光栅信号输入端。本发明的检测方法的步骤是第一步在被测系统的一个运动周期ts内，被测系统的运动速度处于加速过程时段4、匀速过程时段5及系统运动速度V大于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段6时，始终采用微米级光栅位移传感器1检测被测系统的位移变化情况；第二步当被测系统处于系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段7时，采用纳米级光栅位移传感器2检测被测系统的位移变化情况，使得计数及切换电路3获得纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号，并根据第一步中微米级光栅位移传感器1采集的检测信号，确定被测系统在一个运动周期ts内的位移量；第三步重复上述第一步至第二步，可以连续获得多个运动周期ts内系统运动的总位移量。
工作原理如图2所示，曲线a为被测系统在一个运动周期ts内的运动速度曲线，波形b是本发明用于检测时微米级光栅位移传感器1采集的检测信号，波形c是本发明用于检测时纳米级光栅位移传感器2采集的无效检测信号，波形d是本发明用于检测时纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号。本发明的检测装置用于被测系统时，微米级光栅位移传感器1和纳米级光栅位移传感器2同时随着被测系统的运动开始检测被测系统的位移变化情况，由于单个光栅位移传感器具有最大电气允许移动速度与其分辨率成反比的特性，所以，在加速过程时段4、匀速过程时段5和系统运动速度V大于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段6中微米级光栅位移传感器1采集到的检测信号是有效的(即波形b)，而纳米级光栅位移传感器2采集到的检测信号是无效的(即波形c)；在系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程7中纳米级光栅位移传感器2采集到的检测信号是有效的(即波形d)。本发明的方法采用双光栅位移传感器计数方式，即在高速运动阶段(在加速过程时段4、匀速过程时段5和系统运动速度V大于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段6中)，由粗光栅位移传感器微米级低分辨率的脉冲信号计数检测高速位移，此时利用低分辨率的光栅位移传感器具有较高的最大电气允许移动速度的特性，提高了本发明的检测速度，使其达到m/s级；当进入低速运动时刻(在系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段7中)，由精光栅位移传感器纳米级高分辨率的脉冲信号计数检测系统运动位移，此时利用最大电气允许移动速度小的光栅位移传感器具有高分辨率的特性，提高了本发明的检测精度，使其达到了纳米级。发明效果本发明解决了使用单个精密光栅位移传感器进行位置检测时，由于其最大电气允许移动速度与其分辨率成反比的特性而导致的测量高速度与测量高精度相矛盾的问题；同时实现了大行程(cm级)、高速度和高精度的位置检测。
图1是本发明的检测装置的结构示意图，图2是本发明用于检测时的工作波形图，图3是具体实施方式
四的流程框图，图4是具体实施方式
五的流程框图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本具体实施方式
，本具体实施方式
的检测装置由微米级光栅位移传感器1、纳米级光栅位移传感器2和计数及切换电路3组成，微米级光栅位移传感器1的信号输出端连接计数及切换电路3的粗光栅信号输入端，纳米级光栅位移传感器2的信号输出端连接计数及切换电路3的精光栅信号输入端。本具体实施方式
中微米级光栅位移传感器1采用分辨率为微米级的光栅位移传感器，纳米级光栅位移传感器2采用分辨率为纳米级的光栅位移传感器。
具体实施方式
二结合图1说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是它的计数及切换电路3由第一有锁存功能的计数电路3-1、第二有锁存功能的计数电路3-2和中央控制及比较电路3-3组成，微米级光栅位移传感器1的信号输出端连接第一有锁存功能的计数电路3-1的信号输入端，第一有锁存功能的计数电路3-1的数据输出端连接中央控制及比较电路3-3的粗光栅数据输入端，第一有锁存功能的计数电路3-1的控制信号输入端连接中央控制及比较电路3-3的粗光栅控制信号输出端，纳米级光栅位移传感器2的信号输出端连接第二有锁存功能的计数电路3-2的信号输入端，第二有锁存功能的计数电路3-2的数据输出端连接中央控制及比较电路3-3的精光栅数据输入端，第二有锁存功能的计数电路3-2的控制信号输入端连接中央控制及比较电路3-3的精光栅控制信号输出端。
本具体实施方式
中第一有锁存功能的计数电路3-1和第二有锁存功能的计数电路3-2是采用高速计数器芯片计数和采用锁存器锁存信号的电路，第一有锁存功能的计数电路3-1记录微米级光栅位移传感器1采集的检测信号并随时记录其脉冲个数N1，第二有锁存功能的计数电路3-2记录纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号并记录其脉冲个数N2；中央控制及比较电路3-3是基于具有高速采集和高速运算特点的微处理器的、用于根据第一有锁存功能的计数电路3-1中记录的信息计算被测系统的运动速度V及判断被测系统的运动速度V与纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的关系的电路，它的微处理器采用高速DSP、CPLD或高速单片机，在微处理器执行相邻两条命令之间的时间间隔内被测系统的移动位移在一倍或二倍的纳米级光栅位移传感器2的分辨率之内。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。本装置结构简单，易操作。
具体实施方式
三结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
的检测方法的步骤是第一步在被测系统的一个运动周期ts内，被测系统的运动速度处于加速过程时段4、匀速过程时段5及系统运动速度V大于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段6时，始终采用微米级光栅位移传感器1检测被测系统的位移变化情况；第二步当被测系统处于系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段7时，采用纳米级光栅位移传感器2检测被测系统的位移变化情况，使得计数及切换电路3获得纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号，并根据第一步中微米级光栅位移传感器1采集的检测信号，确定被测系统在一个运动周期ts内的位移量；第三步重复上述第一步至第二步，可以连续获得多个运动周期ts内系统运动的总位移量。
具体实施方式
四结合图1、图2和图3说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
三的不同点是第二步的检测方法按以下步骤进行一、中央控制及比较电路3-3从第一有锁存功能的计数电路3-1中读取记录的微米级光栅位移传感器1采集的检测信号的脉冲个数N1并进行计算，获得此时被测系统的运动速度V；二、中央控制及比较电路3-3判断上述计算得到的被测系统的运动速度V是否小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs，若被测系统的运动速度V大于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs，重复执行步骤一；三、若步骤一中所述被测系统的运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs时，中央控制及比较电路3-3重复执行步骤一和步骤二，并判断被测系统的运动速度V是否始终小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs，若被测系统的运动速度V不是始终小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs，将再次重复执行步骤一和步骤二；四、若被测系统的运动速度V始终小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs时，中央控制及比较电路3-3利用在微米级光栅位移传感器1采集的检测信号(即波形b)中距离这一时刻最近的上升沿或下降沿来锁存第一有锁存功能的计数电路3-1的信号采集；五、中央控制及比较电路3-3清零第二有锁存功能的计数电路3-2，使得第二有锁存功能的计数电路3-2开始记录纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号的脉冲个数N2；六、中央控制及比较电路3-3读取第一有锁存功能的计数电路3-1记录的微米级光栅位移传感器1采集的检测信号的脉冲个数N1，并将所述脉冲个数N1与微米级光栅位移传感器1的分辨率相乘；七、中央控制及比较电路3-3读取第二有锁存功能的计数电路3-2记录的纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号的脉冲个数N2，并将读取的所述脉冲个数N2与纳米级光栅位移传感器2的分辨率相乘；八、将上述相乘结果与步骤六中的计算结果相叠加，即可获得到此时被测系统已产生的运动位移量；九、中央控制及比较电路3-3判断一个运动周期ts是否结束，若一个运动周期ts没有结束，重复执行步骤七至步骤九；十、若一个运动周期ts结束，即可获得在所述这个运动周期ts内被测系统的运动位移量。
本具体实施方式
中，在被测系统处于系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段7时，始终采用纳米级光栅位移传感器2检测被测系统的位移变化情况；一个运动周期ts的每一个采样周期内都计算一次被测系统的运动位移量，第一有锁存功能的计数电路3-1在一个运动周期ts内只锁存一次信号。其他步骤与具体实施方式
三相同。利用微米级光栅位移传感器1采集的检测信号的上升沿或下降沿来触发与纳米级光栅位移传感器2相连的计数电路，是为了保证本发明的测量精度在纳米级。
具体实施方式
五结合图1、图2、图3和图4说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
四的不同点是第二步的检测方法中，步骤三、若被测系统的运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs，中央控制及比较电路3-3利用在微米级光栅位移传感器1采集的检测信号(即波形b)中距离这一时刻最近的上升沿或下降沿来锁存第一有锁存功能的计数电路3-1的信号采集；四、中央控制及比较电路3-3清零第二有锁存功能的计数电路3-2，使得第二有锁存功能的计数电路3-2开始记录纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号的脉冲个数N2；五、中央控制及比较电路3-3锁存第二有锁存功能的计数电路3-2，并读取第二有锁存功能的计数电路3-2记录的纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号的脉冲个数N2；六、中央控制及比较电路3-3读取第一有锁存功能的计数电路3-1记录的微米级光栅位移传感器1采集的检测信号的脉冲个数N1并其再次累加计数；七、中央控制及比较电路3-3将上述步骤六的脉冲个数N1与微米级光栅位移传感器1的分辨率相乘，将上述步骤五的脉冲个数N2与纳米级光栅位移传感器2的分辨率相乘，然后叠加两次相乘的结果，即可获得到此时被测系统已产生的运动位移量；八、用上述计算得到的运动位移量计算被测系统的运动速度V；九、中央控制及比较电路3-3判断一个运动周期ts是否结束，若一个运动周期ts没有结束，重复执行步骤二至步骤九；十、若一个运动周期ts结束，即可获得在所述这个运动周期ts内被测系统的运动位移量。
本具体实施方式
中，在被测系统处于系统运动速度V小于纳米级光栅位移传感器2的最大电气允许移动速度Vs的减速过程时段7时，只采用纳米级光栅位移传感器2检测被测系统的纳米级位移变化情况，而利用微米级光栅位移传感器1检测被测系统的微米级位移变化情况；在一个运动周期ts的每个采样周期内，都读取一次第一有锁存功能的计数电路3-1和第二有锁存功能的计数电路3-2中的数据，并进行叠加计算总位移量。其他步骤与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图3和图4说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与具体实施方式
四的不同点是中央控制及比较电路3-3送给第一有锁存功能的计数电路3-1锁存信号到送给第二有锁存功能的计数电路3-2清零信号这一时间段内被测系统的运动位移量小于一倍或二倍的纳米级光栅位移传感器2的分辨率。本具体实施方式
中所述的被测系统的运动位移(即具体实施方式
二中记载的微处理器执行相邻两条命令之间的时间间隔内被测系统的移动位移)必须保证在一倍或二倍的纳米级光栅位移传感器2的分辨率之内，它的目的是为了维持本发明的测量精度在纳米级，这一条件可以作为选择中央控制及比较电路3-3的主芯片型号的依据。其他步骤与具体实施方式
四相同。
权利要求
1.双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置，其特征在于它由微米级光栅位移传感器(1)、纳米级光栅位移传感器(2)和计数及切换电路(3)组成，微米级光栅位移传感器(1)的信号输出端连接计数及切换电路(3)的粗光栅信号输入端，纳米级光栅位移传感器(2)的信号输出端连接计数及切换电路(3)的精光栅信号输入端。
2.根据权利要求1所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置，其特征在于它的计数及切换电路(3)由第一有锁存功能的计数电路(3-1)、第二有锁存功能的计数电路(3-2)和中央控制及比较电路(3-3)组成，微米级光栅位移传感器(1)的信号输出端连接第一有锁存功能的计数电路(3-1)的信号输入端，第一有锁存功能的计数电路(3-1)的数据输出端连接中央控制及比较电路(3-3)的粗光栅数据输入端，第一有锁存功能的计数电路(3-1)的控制信号输入端连接中央控制及比较电路(3-3)的粗光栅控制信号输出端，纳米级光栅位移传感器(2)的信号输出端连接第二有锁存功能的计数电路(3-2)的信号输入端，第二有锁存功能的计数电路(3-2)的数据输出端连接中央控制及比较电路(3-3)的精光栅数据输入端，第二有锁存功能的计数电路(3-2)的控制信号输入端连接中央控制及比较电路(3-3)的精光栅控制信号输出端。
3.根据权利要求1所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置，其特征在于它的微米级光栅位移传感器(1)采用分辨率为微米级的光栅位移传感器，纳米级光栅位移传感器(2)采用分辨率为纳米级的光栅位移传感器。
4.根据权利要求2所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置，其特征在于第一有锁存功能的计数电路(3-1)和第二有锁存功能的计数电路(3-2)是采用高速计数器芯片计数和采用锁存器锁存信号的电路，第一有锁存功能的计数电路(3-1)记录微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号并随时记录其脉冲个数(N1)，第二有锁存功能的计数电路(3-2)记录纳米级光栅位移传感器2采集的有效检测信号并记录其脉冲个数(N2)。
5.根据权利要求2所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置，其特征在于中央控制及比较电路(3-3)是基于具有高速采集和高速运算特点的微处理器的、用于根据第一有锁存功能的计数电路(3-1)中记录的信息计算被测系统的运动速度(V)及判断被测系统的运动速度(V)与纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)的关系的电路，它的微处理器采用高速DSP、CPLD或高速单片机。
6.双光栅位移传感器计数方式的位置检测方法，其特征在于它的检测方法的步骤是第一步在被测系统的一个运动周期(ts)内，被测系统的运动速度处于加速过程时段(4)、匀速过程时段(5)及系统运动速度(V)大于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)的减速过程时段(6)时，始终采用微米级光栅位移传感器(1)检测被测系统的位移变化情况；第二步当被测系统处于系统运动速度(V)小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)的减速过程时段(7)时，采用纳米级光栅位移传感器(2)检测被测系统的位移变化情况，使得计数及切换电路(3)获得纳米级光栅位移传感器(2)采集的有效检测信号，并根据第一步中微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号，确定被测系统在一个运动周期(ts)内的位移量；第三步重复上述第一步至第二步，可以连续获得多个运动周期(ts)内系统运动的总位移量。
7.根据权利要求6所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测方法，其特征在于它的第二步的检测方法按以下步骤进行一、中央控制及比较电路(3-3)从第一有锁存功能的计数电路(3-1)中读取记录的微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号的脉冲个数(N1)并进行计算，获得此时被测系统的运动速度(V)；二、中央控制及比较电路(3-3)判断上述计算得到的被测系统的运动速度(V)是否小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)，若被测系统的运动速度(V)大于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)，重复执行步骤一；三、若步骤一中所述被测系统的运动速度(V)小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)时，中央控制及比较电路(3-3)重复执行步骤一和步骤二，并判断被测系统的运动速度(V)是否始终小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)，若被测系统的运动速度(V)不是始终小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)，将再次重复执行步骤一和步骤二；四、若被测系统的运动速度(V)始终小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)时，中央控制及比较电路(3-3)利用在微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号中距离这一时刻最近的上升沿或下降沿来锁存第一有锁存功能的计数电路(3-1)的信号采集；五、中央控制及比较电路(3-3)清零第二有锁存功能的计数电路(3-2)，使得第二有锁存功能的计数电路(3-2)开始记录纳米级光栅位移传感器(2)采集的有效检测信号的脉冲个数(N2)；六、中央控制及比较电路(3-3)读取第一有锁存功能的计数电路(3-1)记录的微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号的脉冲个数(N1)，并将所述脉冲个数(N1)与纳米级光栅位移传感器(2)的分辨率相乘；七、中央控制及比较电路(3-3)读取第二有锁存功能的计数电路(3-2)记录的纳米级光栅位移传感器(2)采集的有效检测信号的脉冲个数(N2)，并将读取的所述脉冲个数(N2)与纳米级光栅位移传感器(2)的分辨率相乘；八、将上述相乘的结果与步骤六中的计算结果相叠加，即可获得到此时被测系统已产生的运动位移量；九、中央控制及比较电路(3-3)判断一个运动周期(ts)是否结束，若一个运动周期(ts)没有结束，重复执行步骤七至步骤九；十、若一个运动周期(ts)结束，即可获得在所述这个运动周期(ts)内被测系统的运动位移量。
8.根据权利要求6或7所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测方法，其特征在于它的第二步的检测方法中，步骤三、若被测系统的运动速度(V)小于纳米级光栅位移传感器(2)的最大电气允许移动速度(Vs)，中央控制及比较电路(3-3)利用在微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号中距离这一时刻最近的上升沿或下降沿来锁存第一有锁存功能的计数电路(3-1)的信号采集；四、中央控制及比较电路(3-3)清零第二有锁存功能的计数电路(3-2)，使得第二有锁存功能的计数电路(3-2)开始记录纳米级光栅位移传感器(2)采集的有效检测信号的脉冲个数(N2)；五、中央控制及比较电路(3-3)锁存第二有锁存功能的计数电路(3-2)，并读取第二有锁存功能的计数电路(3-2)记录的纳米级光栅位移传感器(2)采集的有效检测信号的脉冲个数(N2)；六、中央控制及比较电路(3-3)读取第一有锁存功能的计数电路(3-1)记录的微米级光栅位移传感器(1)采集的检测信号的脉冲个数(N1)并使其再次累加计数；七、中央控制及比较电路(3-3)将上述步骤六的脉冲个数(N1)与微米级光栅位移传感器(1)的分辨率相乘，将上述步骤五的脉冲个数(N2)与纳米级光栅位移传感器(2)的分辨率相乘，然后叠加两次相乘的结果，即可获得到此时被测系统已产生的运动位移量；八、用上述计算得到的运动位移量计算被测系统的运动速度(V)；九、中央控制及比较电路(3-3)判断一个运动周期(ts)是否结束，若一个运动周期(ts)没有结束，重复执行步骤二至步骤九；十、若一个运动周期(ts)结束，即可获得在所述这个运动周期(ts)内被测系统的运动位移量。
9.根据权利要求6所述的双光栅位移传感器计数方式的位置检测方法，其特征在于中央控制及比较电路(3-3)送给第一有锁存功能的计数电路(3-1)锁存信号到送给第二有锁存功能的计数电路(3-2)清零信号这一时间段内被测系统的运动位移量小于一倍或二倍的纳米级光栅位移传感器(2)的分辨率。
全文摘要
双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置及其检测方法，它具体涉及基于光栅位移传感器的大行程、高精度、高速度的位置检测装置及其方法，它是为了解决单个精密光栅尺无法同时达到大行程、高速度和高精度的位置检测要求的问题。本发明装置中微米级光栅位移传感器1和纳米级光栅位移传感器2的输出端分别连接计数及切换电路3的两个输入端。本发明采用双光栅位移传感器计数方式，即在高速运动阶段由微米级光栅位移传感器1检测高速位移；当进入低速运动时刻，由纳米级光栅位移传感器2检测系统运动位移。本发明解决了现有的位置检测单元测量高速度与高精度相矛盾的问题，达到了cm级的测量行程、m/s级的测量速度和nm级的测量精度。
文档编号G01B11/02GK1731083SQ200510010288
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月26日 优先权日2005年8月26日
发明者孙立宁, 刘延杰, 节德刚, 荣伟彬, 曲东升 申请人:哈尔滨工业大学