专利名称：角度或长度测量中光栅信号的电子细分处理方法及其电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角度或长度测量中对光盘形成的光栅信号进行电子细分的方法及其电路。
在很多工程技术问题中要求能够精确地确定角度量或直线量，常用的方法是在一个基准点上进行精细的刻划(称为光栅)，由光栅之栅角或栅距来进行测量，如果直接以光栅之栅角和栅距作为计测单位，要提高测试精度就意味着高密度的栅线刻划，对于角度测量的园光栅可以用扩大码盘面积的办法来解决高密度刻划的技术上的困难，对于长度测量，只能增加长光栅尺的单位线度内刻线的数量来实现，但是扩大面积和增加密度往往受到工程技术要求和技术上的实际可能性的限制，对于很多使用场合来说都是不合适的。因此通常采用的办法是在一定的光栅栅角和栅距的前提下进行细分。一般长度测量中的直线位移量L和角度测量中的角度位移量θ都由两部分组成，L＝(N+△N)×ωL，θ＝(N+△N)×ω6，其中N为整数，△N为由细分确定的小数，N×ωL和N×ω6即为整栅距和整栅角，它们一般可通过直接读数的方法很容易地确定下来，所谓细分就是对直线位移量L和角度位移量θ中的△N×ωL和△N×ω6进行求值运算的方法。现有的细分分为机械式、电子式和机电相结合方式等，而电子细分是该领域中比较活跃的课题，随着科学技术的发展，不断有新的细分方法出现，从而用更小的体积，更简单的工艺实现高精度的测量。常用的电子细分方法有直接细分法，电阻链移相细分法，载波调制测相细分法等，直接细分法电路简单，对信号要求不严格，应用比较广泛，但细分数较小，一般为2、4或8。电阻链移相细分法是用电阻链对正余弦信号进行移相，再通过比较电路实现细分，方法原理简单，获得容易，原则上细分数可以做得很高，但电路将随着细分数增加而成倍地增加，因此细分数不宜做得太大，而且由于温度产生的零点漂移也对细分精度影响较大。载波调制测相细分法是对光栅信号进行调制和组合，将需测空间量转化为相位量，用测量相位差的办法来进行细分，该办法细分数可以做得很大，但对波形正交性的要求比较严格，电路比较复杂。
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种线路简单，能在特定的光栅密度条件下求得最大细分能力的角度或长度测量中光栅信号的电子细分处理方法及其电路。
本发明的技术解决方案一种角度或长度测量中光栅信号的电子细分处理方法，光源G经动态园光栅A或长光栅B及其指示光栅C被光电接收转换器D接收的莫尔条纹信号(即光栅信号，它包括了园光栅或长光栅所处光栅角α的正弦值sinα和余弦值cosα，其中α＝△N×2π，△N为由细分确定的小数)转换成电信号送入细分电路，其特征在于光电接收转换器D输出的莫尔条纹电信号送给模数转换器A/D进行模数转换，得到的数字信号送入计算机先进行正切函数变换，得到的正切函数值tgα再进行反正切函数变换，这样得到的α值即为所要测量的园光栅或长光栅所处位置的光栅角值。
一种角度或长度测量中光栅信号的电子细分电路，其特征在于它由正弦整形电路Z、余弦整形电路Y、模数转换器A/D、微机CPU组成，正弦整形电路Z和余弦整形电路Y的输入分别与光电接收转换器D的正弦分量信号输出端和余弦分量信号输出端连接，它们的输出与模数转换器A/D的两个输入端对应连接，A/D的输出与微机CPU连接，CPU的输出通过输入输出接口I/O送出所要的角度信号。
本发明采用正切函数变换和反正切函数变换求得光栅角值，其细分数可以做得很高，它只需选用不同位数的模数转换器即可实现，而电路保持不变，不会因细分数的增加而变得复杂和难以调整，同时克服了由于温度变化必然使对温度十分敏感的光电器件的输出信号幅值发生变化而对细分精度的影响。本发明方法和线路均简单实用，成本低，而精度高，可靠性强。
图1是本发明的角度测量原理框图;
图2是本发明的长度测量原理框图;
图3是本发明的细分电路电原理图。
图1、2中，光源G可采用发光管，指示光栅C为狭缝指示光栅，光电转换接收器D可采用光敏管。本发明具体的细分电路如图3，其正弦整形电路Z可由运放A1和电阻R1-R6及电位器RP1组成，余弦整形电路Y可由运放A2、电阻R7-R12及电位器RP2组成，它们的输入即运放A1、A2的输入端分别与光电接收转换器D的正弦分量输出端和余弦分量输出端连接，它们的输出即运放A1、A2的输出端分别与模拟开关MUX(型号可为CD4066)的两个输入端连接，MUX的输出接模数转换器A/D(型号可为ADC0804)的信号输入端，A/D的输出接微机CPU(型号可为80C31)的数据输入端，CPU的一个控制端与模拟开关MUX的受控端连接，CPU的另一个控制端与模数转换器A/D的受控端连接，CPU的工作方式和工作状态由可编程存贮器EPROM(型号可为27C32)确定。当选用单极性的模数转换器A/D和模拟开关MUX时，可在正弦整形电路Z和余弦整形电路Y的输出与模拟开关MUX之间接入由电阻R13-R16和基准电源V0(型号可为LM136)组成的电平转换电路。
下面分别描述本发明进行角度测量和长度测量的两实施例。
1、角度测量假设要求角度分辨率τ＝20″，而在角度测量中用园光栅A(码盘)作测量基准器，栅角ω6和设计的细分数N以及分辨率τ有如下关系，ω6＝τ×N，要求τ＝20″，取栅角ω6＝43′，则N＝128，这样可选八位精度的A/D转换器。由于栅角ω6＝43′，整个园周360度内码盘刻线数(整数)为512条，如刻线宽为0.1毫米，则码盘半径r＝0.1×512×2/2π＝16.3毫米，这样在直径约为33毫米的码盘上刻划0.1毫米线宽的刻线512条就可实现上述要求。由于栅角ω6＝43′，即园光栅A输出的正弦分量信号sinα和余弦分量信号cosα每隔43′周期变化一次，(为叙述方便，假设正弦分量信号sinα和余弦分量信号cosα都为正值，即在第一象限，若象限不同，微机CPU可根据正弦分量信号sinα和余弦分量信号cosα的极性确定α加π/2或π或3/2×π。)其中sinα信号经正弦整形电路Z整形后送入模拟开关MUX，cosα信号经余弦整形电路Y整形后亦送入模拟开关MUX，调节正弦整形电路Z中的电阻R3、电位器RP1的值和余弦整形电路Y中的电阻R9、电位器RP2的值，就可使园光栅A的正弦分量信号sinα和余弦分量信号cosα的幅值和对称性符合要求，模拟开关MUX在微机CPU的控制下依次将正弦分量信号sinα和余弦分量信号cosα送入模数转换器A/D进行模数转换，A/D的工作也由CPU控制，CPU按可编程存贮器EPROM内部软件程序的设定对A/D转换后的数字信号进行正切函数变换，得到tgα值，然后仍按EPROM软件程序的设定，对tgα值进行反正切函数变换，得到α值，细分小数△N＝α/2π，就可求得细分小数△N，再将它与读出的整数N相加，并与栅角ω6＝43′相乘就得到分辨率τ为20″的实际角度位移量θ的测量值。
2、长度测量假设要求对长度测量达到0.001毫米的分辨率，在长度测量中用长光栅B(光尺)作测量基准器，栅距ωL和设计的细分数N以及分辨率τ有如下关系ωL＝N×τ，要求ω＝0.001毫米，取栅距ωL＝0.064毫米(即15.6线对/毫米)，这样可推得细分数＝64。为满足该要求，本发明的模数转换器A/D可选用八位模数转换器，它的转换精度可达1/256，满足N＝64的细分要求。由于栅距ωL＝0.064毫米，即每隔0.064毫米长光栅B输出的正弦分量信号和余弦分量信号周期变化一次，它们通过与实施例1的相同处理，得到α值，该α值就是所要求的长光栅B所处的光栅角。由于细分小数△N＝α/2π，就可求出细分小数△N，将它与读出的整数N相加，并与栅距ωL＝0.064毫米相乘，就得到分辨率τ＝0.001毫米的实际直线位移量L的测量值。
在角度和长度测量中，可以根据不同分辨率τ的要求，选用不同位数的模数转换器A/D，进而得到所要精度的角度或长度测量值，使得园光栅A和长光栅B在不增加码盘面积和改变刻线密度的情况下实现较高精度的测量成为可能。
权利要求
1.一种角度或长度测量中光栅信号的电子细分处理方法，光源G经动态园光栅A或长光栅B及其指示光栅C被光电接收转换器D接收的莫尔条纹信号(即光栅信号，它包括了园光栅或长光栅所处光栅角α的正弦值sinα和余弦值cosα，其中α=△N×2π，△N为由细分确定的小数)转换成电信号送入细分电路，其特征在于光电接收转换器D输出的莫尔条纹电信号送给模数转换器A/D进行模数转换，得到的数字信号送入计算机先进行正切函数变换，得到的正切函数值tgα再进行反正切函数变换，这样得到的α值即为所要测量的园光栅或长光栅所处位置的光栅角值。
2.按权利要求1所述的角度或长度测量中光栅信号的电子细分处理方法，其特征在于所要求得的园光栅或长光栅位置的光栅角α值，其精度取决于模数转换器A/D的变换位数。
3.一种角度或长度测量中光栅信号的电子细分电路，其特征在于它由正弦整形电路Z、余弦整形电路Y、模数转换器A/D、微机CPU组成，正弦整形电路Z和余弦整形电路Y的输入分别与光电接收转换器D的正弦分量信号输出端和余弦分量信号输出端连接，它们的输出与模数转换器A/D的两个输入端对应连接，A/D的输出与微机CPU连接，CPU的输出通过输入输出接口I/O送出所要的角度信号。
4.按权利要求3所述的角度或长度测量中光栅信号的电子细分电路，其特征在于正弦整形电路Z可由运放A1和电阻R1-R6及电位器RP1组成，余弦整形电路Y可由运放A2、电阻R7-R12及电位器RP2组成，它们的输入即运放A1、A2的输入端分别与光电接收转换器D的正弦分量输出端和余弦分量输出端连接，它们的输出即运放A1、A2的输出端分别与模拟开关MUX的两个输入端连接，MUX的输出接模数转换器A/D的信号输入端，A/D的输出接微机CPU的数据输入端，CPU的一个控制端与模拟开关MUX的受控端连接，CPU的另一控制端与模数转换器A/D的受控端连接，CPU的工作方式和工作状态由可编程存贮器EPROM确定。
5.按权利要求4所述的角度或长度测量中光栅信号的电子细分电路，其特征在于当选用单极性的模数转换器A/D和模拟开关MUX时，可在正弦整形电路Z和余弦整形电路Y的输出与模拟开关MUX之间接入由电阻R13-R16和基准电源V0组成的电平转换电路。
全文摘要
本发明涉及一种角度或长度测量中对光盘形成的光栅信号进行电子细分的方法及其电路，它将光电接收转换器输出的莫尔条纹电信号送给模数转换器转换，得到的数字信号送入计算机进行正切函数变换和反正切函数变换，这样得到的角度值即为所要测量的圆光栅或长光栅所处位置的光栅角值。
文档编号G01B11/02GK1092159SQ9311514
公开日1994年9月14日 申请日期1993年12月18日 优先权日1993年12月18日
发明者关慧超, 冯小文 申请人:常州第二电子仪器厂