绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法
【专利摘要】绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法，属于绝对式光栅尺测量领域，为克服光照强度不均匀、绝对编码刻线质量不高以及光电二极管阵列光电响应不均匀等导致最终输出的具有绝对位置的电信号不一致问题，该方法包括上位机通过存储器给绝对式光栅尺的光电二极管阵列的一致性校正结构的增益校正电路和偏置校正电路分别输入两组初始值；将n个光电二极管在m档光源偏置电流下经过一致性校正结构后输出的电压响应曲线进行直线性拟合；选取一条作为目标直线，并将剩余其他n-1条响应直线向该目标响应直线拟合；全部直线取平均值；全部直线向该平均值移动；输出电压的响应直线的离散度满足要求为止及进行线性范围扩展，直到离散度和线性范围满足要求为止。
【专利说明】绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法，属于绝对式光栅尺测量 领域。
【背景技术】
[0002] 绝对式光栅尺主要应用于高档数控系统中做全闭环，其优点为：系统上电便可得 到绝对位置，无需寻找零位，并且是光学探测，非接触式不易磨损。绝对式光栅尺是未来数 控行业的必备关键部件。
[0003] 绝对式光栅尺是在玻璃尺板上刻划绝对位置编码，经过平行光照射，投影到光电 二极管阵列，光电二极管阵列将具有绝对位置信息的光信号转换为电信号，通过分析便可 以知道绝对位置。但是由于一些不良因素如：光照强度不均匀、绝对编码刻线质量不高以及 光电二极管阵列光电响应不均匀等，这些不良因素会导致最终输出的具有绝对位置的电信 号不一致，影响绝对位置的精确判断，降低绝对式光栅尺的精度。
[0004] 因此，在绝对式光栅尺的生产制造过程中，需要一种一致性校正方法来弥补上述 不足，以使得绝对式光栅尺最终输出的绝对信号能够准确精确的反映真实的绝对位置。
【发明内容】
[0005] 本发明为克服光照强度不均匀、绝对编码刻线质量不高以及光电二极管阵列光电 响应不均匀等导致最终输出的具有绝对位置的电信号不一致问题，使得绝对式光栅尺最终 输出的绝对信号能够准确精确的反映真实的绝对位置，提供一种绝对式光栅尺绝对信号一 致性校正方法，增强绝对信号质量，提高系统测量精度。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方法，
[0007] 绝对式光栅尺绝对信号电压值一致校正方法，采用公式为：
[0008] v = P · (1+A) · I+Q · (1+A) · (C_D)+D (1)
[0009] 其中，v为绝对式光栅尺光电二极管阵列4经过一致性校正结构8后输出的电压 值。I为光源1的偏置电流。A为绝对式光栅尺光电二极管阵列4增益校正电路7的校正 向量，C为绝对式光栅尺光电二极管阵列4偏置校正电路6的校正向量。P和Q为绝对式光 栅尺光电二极管阵列4的常量系数向量，与系统结构有关。D为常量电压值。
[0010] 将⑴式简化为
[0011] v = K · I+B (2)
[0012] 其中，
[0013] K = P · (1+A) (3)
[0014] B = Q · (1+A) · (C_D)+D (4)
[0015] 如图1所示，绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法，具体步骤如下：
[0016] 步骤1，上位机10通过存储器9给绝对式光栅尺的光电二极管阵列4(共η个光 电二极管）的一致性校正结构8的增益校正电路7和偏置校正电路6分别输入两组初始校 正数据向量％[1:η]和匕^:!!]，然后调节光源1的偏置电流由弱到强分别为IpI2、I3、…、 Im(m为调节的档数），并同时记录下η个光电二极管在m档光源1偏置电流下经过一致性 校正结构 8 后输出的电压值 vh [1 :m]、vl2[l :m]、vl3[l :m]、…、vln[l :m]。
[0017] 步骤2,根据步骤1中得到数据，将n个光电二极管在m档光源1偏置电流下经过 一致性校正结构8后输出的电压响应曲线进行直线性拟合如图3 (a)所示，然后，计算η条 光电二极管在m档光源1偏置电流下经过一致性校正结构8后输出电压响应直线的斜率 向量K[l:n]和截距向量B[l:n]，继而可以得到η条光电二极管的常量系数向量P[l:n]和 Q[1:n]。
[0018] 步骤3,在步骤2中得到的η条响应直线中选取一条作为目标直线，并将剩余其他 n-Ι条响应直线向该目标响应直线拟合，拟合过程如图3所示，图3(a)是拟合前的情况，图 3(b)是拟合后的情况。图3(b)是理想情况，实际拟合效果如图4(a)所示，还是有一定的离 散度。此时得到绝对式光栅尺光电二极管阵列4增益校正电路7校正数据向量a 2 [ 1: η]和 偏置校正电路6校正数据向量b2 [ 1: η]。
[0019] 步骤4,上位机10将步骤3中得到的增益校正电路7校正数据向量a2[l:n]和偏 置校正电路6校正数据向量b 2[l:η]存储器9输入到绝对式光栅尺的光电二极管阵列4的 一致性校正结构8中，然后调节光源1的偏置电流到中间值I m/2，并同时记录下η个光电二 极管在该光源1偏置电流下输出的电压值vZi [m/2]、v22 [m/2]、v23 [m/2]、…、v2n [m/2]。
[0020] 步骤5,将光源1偏置电流为中间值Im/2下步骤4中得到的n个电压值％ [m/2]、 v22[m/2]、v23[m/2]、…、v2n[m/2]进行取平均值，然后将全部光电二极管经过一致性校正 结构[8]后输出电压响应直线向该平均值进行平移，平移过程如图4所示，图4(a)是平移 前的示意图，图4(b)是平移后的接近实际情况的示意图。只调节η个光电二极管的偏置校 正电路6校正数据向量，得到一组新的校正数据向量b 3[l:η]。
[0021] 步骤6,重复步骤4和步骤5, 一直到绝对式光栅尺的光电二极管阵列4在m档光 源1偏置电流下经过一致性校正结构8后输出电压的响应直线的离散度满足要求为止，继 而得到此时绝对式光栅尺光电二极管阵列4的一致性校正结构8的增益校正电路7校正数 据向量a 2 [ 1: η]和偏置校正电路6校正数据向量b4 [ 1: η]。
[0022] 步骤7,对步骤6得到的绝对式光栅尺光电二极管阵列4在m档光源1偏置电流 下经过一致性校正结构8后输出电压的响应直线进行线性范围扩展如图5所示，即在光源 1较弱时，输出电压响应应尽量为零，同时要保证在光源1的额定偏置电流附近时，输出电 压响应才达到饱和。将绝对式光栅尺光电二极管阵列4 一致性校正结构8的增益校正电路 7校正数据向量a2 [1:η]中的每个值小幅度提高，并将绝对式光栅尺光电二极管阵列4的一 致性校正电路的偏置校正电路6结构校正数据向量b 4[l:n]中的每个值小幅度降低，从而 得到新的增益校正电路7校正数据向量a3[l :n]和偏置校正电路6校正数据向量b5[l :n]。
[0023] 步骤8,上位机10通过存储器9将增益校正电路7校正数据向量a3[l:n]和偏置 校正电路6校正数据向量b 5[l:n]传输给增益校正电路7和偏置校正电路6,检测绝对式 光栅尺的光电二极管阵列4在m档光源1偏置电流下经过一致性校正结构8后输出电压的 响应直线的线性范围是否满足要求。如不满足，需要重复步骤7,直到满足要求为止。继而 得到绝对式光栅尺的光电二极管阵列4 一致性校正结构8的增益校正电路7校正数据向量 a4 [ 1: η]和偏置校正电路6校正数据向量b6 [ 1: η]。
[0024] 步骤9,检测此时绝对式光栅尺的光电二极管阵列4在m档光源1偏置电流下经 过一致性校正结构8后输出电压的响应直线的离散度是否满足要求，如不满足，则给绝对 式光栅尺的光电二极管阵列4 一致性校正结构8的增益校正电路7校正数据向量和偏置校 正电路6校正数据向量分别输入两组新的初始校正数据a4 [ 1: η]和b6 [ 1: η]，重复执行步骤 1到步骤9,直到绝对式光栅尺的光电二极管阵列4在m档光源1偏置电流下经过一致性校 正结构8后输出电压的响应直线的离散度和线性范围满足要求为止。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1为本发明绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法流程图。
[0026] 图2为本发明绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法的系统结构示意图。
[0027] 图3为本发明所述n-1条响应直线向目标响应直线拟合过程示意图。
[0028] 图4为本发明所述η条响应直线向平均值进行平移过程示意图。
[0029] 图5为本发明所述经过线性范围扩展后光电二极管阵列经过一致性校正结构后 输出的电压响应直线示意图。
[0030] 图6为本发明实施例中初始校正数据时20个光电二极管经过一致性校正结构后 输出的电压响应曲线。
[0031] 图7为本发明实施例中经过平移后20个光电二极管经过一致性校正结构后输出 的电压响应直线。
[0032] 图8为本发明实施例中经过线性范围扩展后20个光电二极管经过一致性校正结 构后输出的电压响应直线。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步详细说明。
[0034] 如图2所示，绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法的系统结构，包括光源1、准 直透镜2、刻有绝对编码的光栅尺3、光电二极管阵列4、放大采样保持电路阵列5、偏置校正 电路6、偏置校正电路7、一致性校正结构8、存储器9和上位机10。其工作原理为，首先，系 统上电，上位机10向存储器9传输绝对式光栅尺光电二极管阵列4的一致性校正结构8的 增益校正电路7初始校正数据向量 ai [1:η]和偏置校正电路6初始校正数据向量bjl:η]。 通过调节光源1的偏置电流，光源1便可发出相应强度的光，经过准直透镜2产生平行光， 经过刻有绝对编码的光栅尺3后，光电二极管阵列4接收具有绝对编码的光信号并输出η 个具有绝对编码信息的光电流，然后，放大采样保持电路阵列5对η个光电流进行放大采样 保持处理，输出具有绝对编码信息的η个电压信号。偏置校正电路6向存储器9索取偏置 校正电路6校正数据向量h [ 1: η]，并经过D/A转换电路形成绝对式光栅尺光电二极管阵列 4的偏置校正电路6的校正向量C，同时，增益校正电路7向存储器9索取增益校正电路7 校正数据向量％ [ 1: η]，并转换成绝对式光栅尺光电二极管阵列4增益校正电路7的校正向 量Α。偏置校正电路6和增益校正电路7对放大采样保持电路阵列5输出的具有绝对编码 信息的电压信号进行校正，并将校正后的电压上传到上位机10,上位机10判断绝对式光栅 尺光电二极管阵列4在m档光源1偏置电流下经过一致性校正结构8后输出电压的响应直 线的线性范围和离散度是否满足要求。
[0035] 绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法，其具体步骤如下：
[0036] 步骤1，上位机10通过存储器9给绝对式光栅尺的光电二极管阵列4 (假设共20 个光电二极管）的一致性校正结构8的增益校正电路7和偏置校正电路6分别输入两组初 始校正数据向量叫[1:20]假设增益校正电路7校正数据向量 ai[l:20]中的 每个元素值都为15,偏置校正电路6校正数据向量bJljO]中的每个元素值都为32。假 设采用的光源1的额定偏置电流为50mA，取8个光源1的偏置电流档分别为2. 5mA、7. 0mA、 11. 0mA、15. 5mA、19. 5mA、23. 5mA、28. 0mA、32. 0mA，分别将光源1的偏置电流调节到以上8个 值，并在上位机10保存各个光源1的偏置电流下20个光电二极管经过一致性校正结构8 后输出的电压值vUljhvUlAhvULS]、·?ΙΙΑ]并在上位机10绘出该图，如 图6所示。本设计电路的饱和输出电压为3. 3V，从图6可见，20个光电二极管经过一致性 校正结构8后输出的电压响应曲线的离散度很大，并且线性范围也不宽。
[0037] 步骤2,将步骤1所得的20条光电二极管经过一致性校正结构8后输出的电压 vlJlA]、vl2[l:8]、vl3[l:8]、··svljliS]响应曲线进行直线性拟合，并计算出拟合后20 条响应直线的斜率向量K[1:20]和截距向量B [1:20]如表1所示：
[0038] 表120条响应直线的斜率向量K[l:20]和截距向量B[l:20]
[0039]
【权利要求】
1.绝对式光栅尺绝对信号一致性校正方法，该方法采用公式为： V = P · (1+A) · I+Q · (1+A) · (C-D)+D 其中，v为绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)经过一致性校正结构（8)后输出的电压 值，I为光源（1)的偏置电流，P和Q为绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)的常量系数向量， 与系统结构有关，D为常量电压值，A为绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)偏置校正电路（7) 的校正向量，C为绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)偏置校正电路（6)的校正向量， 将上式简化为 v = K · I+B 其中，K = P · (1+A)，B = Q · (1+A) · (C-D) +D ; 其特征是，该方法包括以下步骤： 步骤1，上位机（10)通过存储器（9)给绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4)的一致性 校正结构（8)的增益校正电路（7)和偏置校正电路（6)分别输入两组初始校正数据向量 &1[1:η]和匕山!!]，然后调节光源（1)的偏置电流由弱到强分别为ΙρΙ 2、Ι3、，其中， m为调节的档数，并同时记录下η个光电二极管在m档光源（1)偏置电流下经过一致性校正 结构（8)后输出的电压值 vlJlzmiUvlJlzmiUvlJlzmiU-'vlnlil:!]!]; 步骤2,根据步骤1中得到的数据，将η个光电二极管在m档光源（1)偏置电流下经过 一致性校正结构（8)后输出的电压响应曲线进行直线性拟合，然后，计算η条光电二极管在 m档光源⑴偏置电流下经过一致性校正结构⑶后输出电压响应直线的斜率向量Κ[1:η] 和截距向量Β[1:η]，继而可以得到η个光电二极管的常量系数向量Ρ[1:η]和Q[l:n]; 步骤3,在步骤2中得到的η条响应直线中选取一条作为目标直线，并将剩余其他n-1 条响应直线向该目标响应直线拟合，从而得到此时绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)增益 校正电路（7)校正数据向量a2[l:η]和偏置校正电路（6)校正数据向量b 2[l:η]; 步骤4,上位机（10)将步骤3中得到的增益校正电路（7)校正数据向量a2[l:n]和偏 置校正电路（6)校正数据向量b2[l:n]通过存储器（9)输入到绝对式光栅尺的光电二极管 阵列⑷的一致性校正结构⑶中，然后调节光源（1)的偏置电流到中间值I m/2，并同时记 录下η个光电二极管在该光源（1)偏置电流下经过一致性校正结构（8)后输出的电压值 ￥2!^/2] > v22[m/2] > v23[m/2] > *··>ν2η[πι/2]； 步骤5,将光源[1]偏置电流为中间值Im/2下步骤4中得到的η个电压值V2JII1/2]、 v22[m/2]、v23[m/2]、…、v2n[m/2]进行取平均值，然后将全部光电二极管经过一致性校正 结构[8]后输出电压响应直线向该平均值进行平移，此时只调节η个光电二极管的偏置校 正电路（6)校正数据向量，得到一组新的校正数据向量13 3[1:11]; 步骤6,重复步骤4和步骤5, 一直到绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4)在m档光源 (1)偏置电流下经过一致性校正结构（8)后输出电压的响应直线的离散度满足要求为止， 继而得到此时绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)的一致性校正结构（8)的增益校正电路 (7)校正数据向量a2[l:n]和偏置校正电路（6)校正数据向量b 4[l:n]; 步骤7,对步骤6得到的绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)在m档光源（1)偏置电流下 经过一致性校正结构（8)后输出电压的响应直线进行线性范围扩展，即将绝对式光栅尺光 电二极管阵列（4) 一致性校正结构（8)的增益校正电路（7)校正数据向量a2[l:n]中的每 个值小幅度提高，并将绝对式光栅尺光电二极管阵列（4)的一致性校正电路的偏置校正电 路（6)结构校正数据向量b4[l:n]中的每个值小幅度降低，从而得到新的增益校正电路（7) 校正数据向量a3[l:n]和偏置校正电路（6)校正数据向量b5[l:n]; 步骤8,上位机（10)通过存储器（9)将增益校正电路（7)校正数据向量a3[l:n]和偏 置校正电路（6)校正数据向量b5[l:n]传输给增益校正电路（7)和偏置校正电路（6)，检测 绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4)在m档光源（1)偏置电流下经过一致性校正结构（8) 后输出电压的响应直线的线性范围是否满足要求，如不满足，需要重复步骤7,直到满足要 求为止，继而得到绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4) 一致性校正结构（8)的增益校正电 路⑵校正数据向量a4[l:n]和偏置校正电路（6)校正数据向量b 6[l:n]; 步骤9,检测此时绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4)在m档光源（1)偏置电流下经 过一致性校正结构（8)后输出电压的响应直线的离散度是否满足要求，如不满足，则上位 机（10)通过存储器（9)给绝对式光栅尺的光电二极管阵列（4) 一致性校正结构（8)的增 益校正电路（7)校正数据向量和偏置校正电路（6)校正数据向量分别输入两组新的初始校 正数据a 4 [1:η]和b6 [1:η]，重复执行步骤1到步骤9,直到绝对式光栅尺的光电二极管阵列 (4)在m档光源（1)偏置电流下经过一致性校正结构（8)后输出电压的响应直线的离散度 和线性范围满足要求为止。
【文档编号】G01B11/00GK104296661SQ201410617422
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】刘阳, 许家林, 乔栋, 杨帆, 吴宏圣, 曾琪峰, 孙强, 尤佳 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所