一种用于光栅位移测量系统的位移计算方法与流程

本发明涉及一种利用衍射光栅精密测量位移的技术，尤其涉及一种根据双路非正交位移信号计算位移量的方法。

背景技术：

随着精密及超精密加工技术的迅速发展，微米级的位移测量技术已无法满足要求，纳米级位移测量技术发展迅速，并在各领域得到了广泛应用。光栅位移测量技术主要分为基于莫尔条纹和基于衍射干涉两类。使用衍射光栅的衍射光栅干涉测量技术具有低成本、高精度等优点，已成为纳米级位移测量的首先技术。

目前衍射光栅干涉测量技术主要可分为非偏振光干涉测量技术及偏振光干涉测量技术两大类。利用非偏振光干涉技术时，在同一干涉条纹中布置阵列光电探头，通过调整阵列探头在空间中的布局角度获得四路相位依次相差90°的正弦信号；利用偏振光干涉技术时，使用波片相位延迟技术获得相位差依次为90°的干涉条纹，进而通过四个独立的光电探头获得四路相位差为90°的电信号。经过信号的差分放大，即可输出两路位移信号。为得到纳米级精密位移量，需要对输出光电信号的整周期部分进行准确计数，并对剩余非整周期信号进行细分计算。

由于滤波器都具有一定的延迟效应，两路信号所使用的电子器件在参数上无法保持一致，导致差分放大后的电信号延迟效应不一致，使实际输出的两路正弦位移信号改变为非正交位移信号。但现有技术都默认双路位移信号为正交信号，并直接对非整周期信号进行细分，这会给非整周期信号所包含的位移计算带来误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种根据双路非正交位移信号来计算位移量的方法，减少位移的计算误差，提高位移测量精度。

本发明的技术方案是：一种用于光栅位移测量系统的位移计算方法，包括以下步骤：

S1)通过DSP对双路非正交正弦位移信号进行同步采样，获得双路非正交正弦信号数据；

S2)根据相关原理计算出双路非正交正弦信号数据的相位差值；

S3)根据相位差值，使用非整周期部分信号细分算法，计算出非整周期部分信号所包含的位移量；以及

S4)根据整周期计数值计算出整周期部分信号所包含的位移量，加上上述非整周期部分信号所包含的位移量，计算出总位移量。

在本发明上述用于光栅位移测量系统的位移计算方法中，所述步骤S2包括以下步骤：

S21)利用S1)中所得两路数据x(n)和y(n)，分别计算两路信号的自相关R_xx(0)、R_yy(0)和互相关R_xy(0)：

S22)当R_xy(0)≥0时，相位差计算式为

当R_xy(0)≤0时，相位差计算式为

在本发明上述用于光栅位移测量系统的位移计算方法中，所述步骤S3包括以下步骤：

S31)对S1)中所得两路数据x(n)和y(n)减去直流分量，归一化后得

I_x＝cosθ

S32)根据细分算法，和S2)中求解的相位差得到细分结果如下：

根据细分结果计算出非整周期部分信号所包含的位移量如下：

ΔL＝(θ/2π)*l (3.8)

其中：l是单个整周期信号对应的位移值。

在本发明上述用于光栅位移测量系统的位移计算方法中，所述步骤S4包括以下步骤：

S41)计算总位移L如下：

L＝n*l+ΔL (3.9)

其中：n为整周期计数值。

在本发明上述用于光栅位移测量系统的位移计算方法中，在步骤S1)之前还包括步骤S0):分别对两组两个相邻的光电转换器输出的信号进行差分放大，得到两路位移信号，经过信号调理电路得到S1)中被采集的信号。

在本发明上述用于光栅位移测量系统的位移计算方法中，在步骤S2)中采用LMS滤波算法，对采集的信号进行滤波。

实施本发明提供的双路非正交位移信号计算位移量的方法，属于一种纳米级分辨率的位移测量方案，包括干涉光路、光电转换、信号调理电路、数字信号处理方案。本发明方法利用衍射光栅和干涉光路用来获得干涉条纹，四象限光电探头将干涉条纹的变化转换为四路电信号，通过差分放大及信号调理电路获得两路正弦信号和两路脉冲计数信号，并由DSP对两路正弦信号进行同步采样。本发明利用相关原理的改进型相位差测量算法，克服了整周期采样的约束条件，提高了相位差测量精度。采用本发明提供的位移计算方法，可以减小硬件信号调理电路中延迟效应带来的细分算法的误差，从另一方面提高了位移测量精度，使位移测量系统在保证低成本、高分辨率的同时精度更高，操作更简便。

附图说明

图1是在本发明双路非正交位移信号计算位移量的方法实施例中所使用的光路原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明方法具体实施例进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

对图1中各个标号统一说明如下：1.激光器，2.滤波镜片，3.平面反光镜，4.反光棱镜，5.反光棱镜，6.衍射光栅，7.平面反光镜，8.分光棱镜，9.放大镜，10.四象限光电探头(A、B、C、D)。

本发明针对衍射光栅干涉位移测量系统输出的双路正弦信号的非正交性带来的位移计算误差问题，提出了一种完整的高精度位移信息计算方法，以实现位移的高精度测量。两路非正交正弦位移信号的相位差计算方法采用的是数字相关法，即利用信号与信号之间相关和信号与噪声之间不相关的性质，在计算机中准确的计算出两路正弦信号的相位差。当采用附图1光路实施位移测量时，被测位移驱动衍射光栅6沿图1的箭头方向运动，激光器1发出的光经滤波镜片2和反光棱镜4和5后，传递到衍射光栅6，产生衍射光。正负一级衍射光经平面反光镜3和7反射后，在分光棱镜8上进行干涉，再经放大镜9放大后照射到四象限光电探头10。对四象限光电探头10中的两个相邻的光电转换器，如A、B及C、D输出的信号进行差分放大，即可输出两路位移信号。通过DSP进行同步采样，获得双路正弦位移信号的数据并根据相关原理进行相关运算，得出双路正弦信号的相位差值。将该值代入到非整周期部分信号细分算法中求解非整周期部分信号所包含的位移量。对信号进行同步采样的时候，将双路信号引出并通过电压比较器进行波形转换。根据电压比较器输出的方波进行整周期计数，得到整周期部分包含的位移信息。需要说明的是本发明方法使用场合不局限于图1所示的一维光路系统，也可以应用在二维、三维或多维测量系统中。

需要说明的是，运用DSP对信号采样完成后，对信号进行幅值归一化处理，

得到两路信号：x(n)＝cos(ωn+θ)+N'₁(t) (4.1)

其中：N'₁(t)、N'₂(t)为噪声。

还需要说明的是，对归一化后的两路信号进行数字滤波。本发明中采用的是LMS自适应滤波算法。

具体地，LMS自适应滤波不需要关于信号的先验知识，具有计算量小的特点，特别适合于实时处理。该滤波器通过自动调节数字滤波器的系数，适应信号变化的特性，从而获得最佳滤波效果。假设给出了和原始信号相关的参数信号d(n)，那么首先对FIR滤波器的权任意设定一组初始值，然后根据滤波器的输出值与参考信号之间的误差e(n)对权值进行调节，使下一次的输出误差能有所减小，这样重复下去，直到权值收敛到最佳值。

将滤波后的两路信号x(n)和y(n)进行相关运算得：

将式(4.2)和(4.3)相加得：

由式(4.4)可以得：

将式(4.6)代入到式(4.5)中得：

根据相关理论可知：

可以通过R_xy(0)来判断相位差的范围：

当R_xy(0)≥0时，相位差计算式为：

当R_xy(0)≤0时，相位差计算式为：

所述细分方法如下。

采集的双路信号经算术运算简化可表示为：

I_x＝a+b cosθ (4.11)

减去直流分量，归一化后得：

I_x＝cosθ (4.12)

根据三角函数的性质得出下式：

由此，可以得到细分计算的最终表达式如下：

其中值为求解的相位差。

非整周期信号所包含的位移量为：

ΔL＝(θ/2π)*l (4.15)

最终，总位移表达式为：

L＝n*l+ΔL (4.16)

本发明提出的基于相关原理的相位差测量算法，相位差测量精度高。本发明提出的非正交位移信号细分计算方法减小了位移信号的非正交带来的误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。