专利名称：轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种位移测量装置及其方法，尤其是涉及一种几何量精密计量中的激光干涉、光栅等条纹信号的计数细分装置及采用该装置进行轨迹跟踪式干涉信号计数细分的方法
背景技术：
采用激光干涉、光栅、容栅、磁栅原理制成的位移测量装置在科研及工业生产中广泛应用。在测量过程中，基于上述原理制成的传感器在理想情况下输出两路相位差为90°、幅度相同、直流偏置为零的理想信号。但实际上由于设计安装等误差因素的存在，从传感器不易直接获得两路理想信号。然而一般号信号处理方法往往需要传感器输出为理想信号，否则很难达到较高的细分精度。例如《自动化仪表》第31卷第5期“C0RDIC算法在光栅莫尔条纹细分中的应用”中指出，细分计算需要两路信号，需要在理想信号的情况下才能获得较好的细分精度。中国发明专利(CN200310110671. 5)“相位误差不敏感的交点跟踪式莫尔干涉条纹信号计数细分方法及装置”提出了一种能够满足于非理想信号的信号处理方法及装置，将传感器直接输出的非理想信号通过软件的计算处理进行标定后获得误差参数，最终从非理想信号中分离出理想信号再进行双路计算细分的系统。与采用传统的计算机细分方法类似，其基本过程是将两路信号组成分成8个区间，由8个区间的逻辑组合判断及计算等流程来实现细分和计数，这种方法虽然可以避免振动和信号电子噪声等导致的误计数，但是其处理过程是以软件的程序计算为主的方法，测前需要归一化等一系列复杂过程，其计数细分速度依赖于程序计算处理的速度，因而细分及计数的速度受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种不依赖于软件程序，通过硬件结构解决干涉信号的高精度细分及计数速度受限的问题。本发明提供一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其对两路干涉条纹信号进行处理，该装置包括位置跟踪脉冲产生电路，其采用跟踪脉冲对两路干涉条纹信号的特征位置进行位置跟踪；位置跟踪编码及辩向计数电路，其对特征位置的跟踪脉冲进行编码判断并产生计数脉冲和位移方向信号；细分电路模块，其对两路干涉条纹信号中的任意一路产生细分小数信号和细分脉冲信号；大小数结合及位移解算电路，其将计数脉冲、位移方向信号、细分小数信号以及细分脉冲信号结合处理获得位移值。其中，进一步包括信号调理电路和至少两个模拟数字转换器。其中，该信号调理电路对两路干涉条纹信号进行放大及调偏置；经该信号调理电路处理后的两路干涉条纹信号输入到所述至少两个模拟数字转换器和所述位置跟踪脉冲产生电路。其中，所述至少两个模拟数字转换器将干涉条纹信号数字化，将数字化后的信号输入到所述细分模块。
其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路、所述细分电路模块以及所述小数结合及位移解算电路位于同一 FPGA芯片上。本发明提供一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其包括利用位置跟踪脉冲产生电路和位置跟踪编码及辩向计数电路获得两路干涉条纹信号大数特征；采用细分电路模块对两路干涉条纹信号中的任意一路获得干涉条纹小数特征；利用大小数结合及位移解算电路，其将大数和小数结合处理，输出位移值。其中，采用位置跟踪脉冲产生电路对两路干涉信号的特征位置进行位置跟踪，通过4路位置跟踪脉冲分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲输入到位置跟踪编码及辨向计数电路。其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置处，位置脉冲通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。其中，所述细分电路模块同时产生16位细分小数信号和细分脉冲信号输出，细分小数信号利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号由CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。其中，两路路干涉条纹信号在进入位置跟踪脉冲产生电路和细分电路模块之前，信号调理电路对所述两路干涉条纹信号进行放大及调偏置。为实现采用硬件电路对干涉信号的抗振动等干扰的正确可逆计数，以及解决在非理想信号情况下实现高精度细分。本发明为基于激光干涉、光栅等测量原理的位移传感器提供了一种采用硬件电路实现的在非理想信号情况下进行高速高精度细分计数方法及装置。
图I本发明的计数细分装置的电路框图结构示意图；图2两路非正交干涉信号示意图；图3干涉条纹单路细分示意图；图4大小数结合示意图；图5信号调理电路示意图；图6位置跟踪脉冲产生电路示意图；图7位置跟踪编码及辩向计数电路示意图； 图8细分电路模块示意图；图9大小数结合及位移解算电路示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合实际实施例，对本发明进一步详细说明，下述的实施方式只是为了便于理解本发明，而不应当理解为对发明内容的具体限定。图I为计数细分装置的电路框图结构。如图I所示，第一光电信号接收与转换电路I和第二光电信号接收与转换电路2分别接收激光干涉条纹信号，优选该光电信号接收电路为光电探测器、光电二极管或光电接收器等光电转换部件；两路干涉条纹信号不需要正交等幅度，信号调理电路3将两路所述条纹信号进行放大和偏置以适应高速模拟数字转换器4、5的模拟输入范围和位置跟踪脉冲产生电路16的位置跟踪过零触发要求。对于信号调理电路3来说，其作用是将光电信号接收与转换电路得到的干涉信号进行放大及调偏置，以使得其在高速模拟数字转换器AD的输入范围内。其具体电路结构如图5所示。采用位置跟踪脉冲产生电路16实现4路位置跟踪脉冲15，4路位置跟踪脉冲15输入到位置跟踪编码及辨向计数电路13，该位置跟踪编码及辩向计数电路13通过对四路脉冲信号的处理，实现对位置脉冲的编码判断并产生计数脉冲11和位移方向信号12。双路高速模拟数字转换器AD 4、5将信号调理电路3输出的信号数字化，选择两路干涉条纹信号中的任意一路，基于现场可编程门阵列(FPGA)技术实现的细分电路模块6同时产生两细分信号输出，16位细分小数信号8和细分脉冲信号7。细分小数信号8利用CORDIC算法实现单路反正 弦函数计算，细分脉冲信号7则是CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。用上面的两种细分方法配合产生细分小数信号和细分脉冲信号，两种细分信号的产生全部依靠硬件电路实现。如图I所示，对一路干涉信号进行处理后获得的细分脉冲信号7、细分小数信号8和对两路干涉信号进行分析处理后获得的计数脉冲11和位移方向信号12均输入到大小数结合及位移解算电路10，该大小数结合及位移解算电路10将前面信号处理电路输出的大小数信号做进一步处理，并将处理结果输出到位移显示测量模块中。对于两路干涉条纹信号来说，如果分别用矢量&表示，则干涉条纹信号可以用它们的合成矢量^ =4 + 来表示，如图2，矢量；|逆时针旋转对应干涉正向移动、顺时针旋转对应干涉负向移动，在2运动的轨迹21上的提取个4特征位置A、B、C、D。根据4个特征位置A、B、C、D形成的位置码表采用硬件电路进行逻辑判断，从而进行辩向与计数。如图I中所示，采用位置跟踪脉冲产生电路16对4个特征位置A、B、C、D进行位置跟踪，其中，通过4路位置跟踪脉冲15分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲15输入到位置跟踪编码及辨向计数电路13，该位置跟踪编码及辩向计数电路13通过对四路脉冲信号的处理，实现对位置脉冲的编码判断并产生计数脉冲11和位移方向信号12。对于位置跟踪脉冲产生电路16，其在两路干涉信号的特征位置A、B、C、D处产生位置脉冲，其如图6所给出一路干涉信号产生位置脉冲A、C的电路结构，另一路电路相同。电路的基本工作原理为首先将一路信号反相得到两路相位相反的信号，然后用高速运算放大器组成过零滞回比较将干涉信号变为方波信号，方波信号再经过单稳态电路分别形成过零触发脉冲信号A、Co对于位置跟踪编码及辩向计数脉冲发生电路13，其具体的电路结构如图7所示，位置跟踪编码及辩向计数电路首先将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置A处，位置脉冲A通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值，根据表2的逻辑进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。通过两路具有相位差的干涉信号的处理产生干涉大数。方法为轨迹跟踪方法，具体是在干涉信号轨迹上的四个特征位置A、B、C、D分别形成轨迹跟踪编码，将每个位置产生的轨迹跟踪位置编码按时间顺序锁存至寄存器，每当轨迹运动到位置A处进即行逻辑判断而可逆计数。在4个特征位置A、B、C、D，位置跟踪脉冲产生电路16会产生4路位置跟踪脉冲15，这些脉冲形成4位二进制编码(AB⑶格式按D3D2D1D0)，具体编码格式及逻辑分析分别见表I、表2，无论锁存的个数，只在位置处A对最后锁存的4个编码进行判断，如符合表2计数状态，则相应计数，如不符合计数状态，则说明在A位置处或附近晃动或还没有走完一个完整的轨迹，则计数状态保持，其过程依靠硬件电路实现。表I
权利要求
1.一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其对两路干涉条纹信号进行处理，该装置包括位置跟踪脉冲产生电路，其采用跟踪脉冲对两路干涉条纹信号的特征位置进行位置跟踪；位置跟踪编码及辩向计数电路，其对特征位置的跟踪脉冲进行编码判断并产生计数脉冲和位移方向信号；细分电路模块，其对两路干涉条纹信号中的任意一路产生细分小数信号和细分脉冲信号；大小数结合及位移解算电路，其将计数脉冲、位移方向信号、细分小数信号以及细分脉冲信号结合处理获得位移值。
2.如权利要求I所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，进一步包括信号调理电路和至少两个模拟数字转换器。
3.如权利要求2所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，该信号调理电路对两路干涉条纹信号进行放大及调偏置；经该信号调理电路处理后的两路干涉条纹信号输入到所述至少两个模拟数字转换器和所述位置跟踪脉冲产生电路。
4.如权利要求I所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，所述至少两个模拟数字转换器将干涉条纹信号数字化，将数字化后的信号输入到所述细分模块。
5.如权利要求I所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置，其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路、所述细分电路模块以及所述小数结合及位移解算电路位于同一 FPGA芯片上。
6.一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其包括利用位置跟踪脉冲产生电路和位置跟踪编码及辩向计数电路获得两路干涉条纹信号大数特征；采用细分电路模块对两路干涉条纹信号中的任意一路获得干涉条纹小数特征；利用大小数结合及位移解算电路，其将大数和小数结合处理，输出位移值。
7.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，采用位置跟踪脉冲产生电路对两路干涉信号的特征位置进行位置跟踪，通过4路位置跟踪脉冲分别对应4个特征位置，对应特征位置处的位置跟踪脉冲输入到位置跟踪编码及辨向计数电路。
8.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，所述位置跟踪编码及辩向计数电路将位置跟踪脉冲形成编码值后存储，在计数位置处，位置脉冲通过辩向及计数逻辑电路读取锁存的位置状态值进行辩向计数，输出方向性信号和计数脉冲。
9.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，所述细分电路模块同时产生16位细分小数信号和细分脉冲信号输出，细分小数信号利用CORDIC算法实现单路反正弦函数计算，细分脉冲信号由CORDIC算法细分的小数与内插细分电路相结合产生。
10.如权利要求6所述的轨迹跟踪式干涉信号计数细分方法，其中，两路路干涉条纹信号在进入位置跟踪脉冲产生电路和细分电路模块之前，信号调理电路对所述两路干涉条纹信号进行放大及调偏置。
全文摘要
本发明公开了一种轨迹跟踪式干涉信号计数细分装置及方法。该装置包括光电信号接收与转换电路、信号调理电路、至少两个模拟数字转换器、位置跟踪脉冲发生电路、细分电路模块、大小数结合及位移解算电路等。其中，通过对双路干涉信号分析处理产生大数、对单路信号细分产生小数，使得干涉信号的相位非正交误差不会影响细分精度；采用基于特征位置的轨迹跟踪方法实现干涉条纹计数，解决在在有振动等干扰情况下的正确计数问题；采用硬件电路实现轨迹跟踪细分计数，计数速度只受硬件电路的频响限制，因而可以用于高速位移测量。
文档编号G01B11/02GK102636127SQ20121012394
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者叶孝佑, 常海涛, 高宏堂 申请人:中国计量科学研究院