探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺与流程

1.本公开涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺。


背景技术：

2.光栅尺是一种利用光栅的光学原理，具有纳米级测量精度、亚纳米级分辨率和极高的测量稳定性的精密位移测量设备，主要应用于各类测量机构、仪器、数控机床以及自动化机构的位移测量。
3.相关技术中，光栅尺以光栅栅距为测量基准，内部光程较短，对光源稳定性和环境波动要求不高；通过采集固定相位的干涉信号，基于固定相位干涉信号，经计算得到被测目标的位移。然而，光栅尺的机械结构复杂，存在实现难度大的问题；且对生产制造条件有极尽苛刻的要求，很难保证探测信号在对应的相位位置上，进而导致测量准确性差。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺。
5.第一方面，本公开提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法，所述方法包括：获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；基于所述三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，所述三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，所述三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；基于所述三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
6.可选地，所述获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号，包括：在读数头在固定速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号；判断所述三路初始干涉信号是否满足稳定条件；在所述三路初始干涉信号满足所述稳定条件之后，对满足所述稳定条件的初始干涉信号进行缓存；针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到所述三路干涉信号。
7.可选地，所述三路干涉信号的初始相位不同、频率相同。
8.可选地，所述基于所述三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差，包括：针对所述三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值；基于所述偏置和所述幅值，利用皮尔森相关系数法确定所述三路干涉信号的相位差。
9.可选地，所述基于所述三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号，包括：基于所述三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定所述两路正交信号；其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0。
10.可选地，所述基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度，包括：基于所述两路正交信号，确定相移量；基于所述相移量，确定被测目标的位移和速度。
11.第二方面，本公开还提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理装置，所述装置包括：信号获取模块，用于获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，所述三路干涉信号的相位均未知；第一确定模块，用于基于所述三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，所述三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，所述三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；第二确定模块，用于基于所述三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；第三确定模块，用于基于所述两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
12.第三方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行上述任一种方法的步骤。
13.第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤。
14.第五方面，本公开还提供了一种光栅尺，包括读数头，所述读数头中的三个不同位置处分别设置探测器，用于采集对应位置处的探测信号，构成三路干涉信号；其中，三个不同位置对应的相位未知；所述光栅尺采用上述任一种方法的步骤实现探测信号处理。
15.本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本公开提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺，该方法包括：获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此可知，由于采用非固定相位采集干涉信号，对探测位置对应相位没有要求，降低了光栅尺机械机构的实现难度，解决了生产制造和安装调试要求高的问题，同时还有利于提高测量准确性。
附图说明
16.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施
例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
17.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图；图2为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s110的细化流程示意图；图3为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s120的细化流程示意图；图4为本公开实施例提供的另一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图；图5为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s140的细化流程示意图；图6为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理装置的结构示意图；图7为本公开实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
19.其中，600、应用于光栅尺的探测信号处理装置；610、信号获取模块；620、第一确定模块；630、第二确定模块；640、第三确定模块；700、电子设备；710、处理器；720、存储器；s110~s140、s211~s214、s321~s322、s410~s440和s541~s542均为方法流程的步骤。
具体实施方式
20.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.结合背景技术部分，由于光栅尺的机械结构复杂，存在安装调试困难和生产制造工艺严苛等问题；同时，在实际采样中很难保证探测信号在对应的相位位置上，进而导致测量准确性差。
23.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法、装置、介质、设备及光栅尺，该方法包括：获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此可知，由于采用非固定相位采集干涉信号，对探测位置对应相位没有要求，降低了光栅尺机械机构的实现难度，解决了生产制造和安装调试要求高的问题，同时还有利于提高测量准确性。
24.下面结合图1-图7，对本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法、装
置、介质、设备及光栅尺进行示例性说明。
25.图1为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图。参照图1，该方法包括：s110、获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号。
26.其中，光栅尺包括参考光栅和测量光栅，当半导体激光器（laser diode，ld）发射平行光经过参考光栅和测量光栅时，平行光会发生衍射和干涉，利用+1、-1级衍射光在探测器端形成干涉信号；利用参考光栅和测量光栅发生相对运动时+1、-1级衍射光相位变化方向相反的特性，两个运动信号周期对应一个光栅栅距，实现信号周期的二倍细分；同时通过光栅的0级衍射效率设计，使不同组参考光栅和测量光栅的+1、-1级衍射光组合干涉下的干涉信号发生相位移动，产生三路初始相位不同、频率相同的干涉信号；三路干涉信号的相位均未知。
27.其中，参考光栅和测量光栅一个设置在读数头内，另一个设置在被测目标内；当读数头相对于被测目标运动时，实现了参考光栅（例透射光栅）和测量光栅的相对运动，从而得到干涉信号。
28.s120、基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差。
29.其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差。
30.其中，三路干涉信号的相位差是以第一路干涉信号为基准信号，将第二路干涉信号和第三路干涉信号分别与第一路干涉信号进行比较得到的；三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为；则三路干涉信号的相位差的实际数量为两个；为了使相位差的数量和干涉信号的数量相等，可将第一路干涉信号与基准信号（即第一路干涉信号）进行比较，即第一路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为，且为0。
31.需要说明的是，本公开实施例仅示例性地示出了以第一路干涉信号为基准信号，但并不构成对本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法的限定。在其他实施方式中，可根据应用于光栅尺的探测信号处理方法的需求将基准信号设置为三路干涉信号中的任一个，在此不限定。
32.s130、基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号。
33.其中，干涉信号强度与相位差之间存在一定的对应关系，将相位差进行正交转换得到两路正交信号；两路正交信号表示两路正弦信号相交，两路正弦信号之间的相位差为90
°
，因此，两路正交信号实质上包括了一路正弦信号和一路余弦信号。
34.s140、基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
35.其中，已知相移量与正交信号的关系为：；通过上述公式，可得到相移量。
36.根据位移和相移量的关系，通过下列公式可得到参考光栅和测量光栅之间的相对位移，即被测目标的位移。
37.；其中，为位移；为相移量；为光栅的栅距。
38.需要说明的是，结合被测目标的位移和对应时长，还可以确定被测目标的速度；可根据用于光栅尺的探测信号处理方法的需求，确定指标设置为被测目标的位移和/或速度，在此不限定。
39.本公开实施例提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理方法，该方法包括：获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。由此可知，由于采用非固定相位采集干涉信号，对探测位置对应相位没有要求，降低了光栅尺机械机构的实现难度，解决了生产制造和安装调试要求高的问题，同时还有利于提高测量准确性。
40.在一个实施例中，如图2所示，为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s110的细化流程示意图。参照图2，s110“获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号”，包括：s211、在读数头在固定速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号。
41.其中，移动光栅尺读数头进行固定速度的单向运动，探测器端产生等周期的初始干涉信号，对初始干涉信号进行实时采集。
42.s212、判断三路初始干涉信号是否满足稳定条件。
43.其中，放大电路对3路初始干涉信号进行放大，使干涉信号的电压幅值达到模数转换器（analog to digital converter，adc）的采样区间，由模数转换器将模拟干涉信号转换为数字干涉信号，判断转换后的数字干涉信号的是否满足稳定条件；稳定条件包括相邻两个数字干涉信号的周期之间的差值小于预设周期差值阈值，即数字干涉信号的周期越接近越好，例如，预设周期差值阈值为零，即数字干涉信号的周期保持稳定或者在一定范围内稳定，以确保信号稳定。
44.s213、在三路初始干涉信号满足稳定条件之后，对满足稳定条件的初始干涉信号进行缓存。
45.其中，在满足稳定条件后，对满足稳定条件的三路数字干涉信号进行缓存。
46.s214、针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到三路干涉信号。
47.其中，每路干涉信号包括至少十个周期稳定的干涉信号；在检测到缓存数据中有十个干涉信号周期以上的数据时，执行下一步骤。
48.在一个实施例中，三路干涉信号的初始相位不同、频率相同。
49.其中，三路干涉信号是由半导体激光器发射的平行光在经过参考光栅和测量光栅时发生衍射和干涉，利用+1、-1级衍射光在探测器端形成的；通过光栅的0级衍射效率设计，使不同组参考光栅和测量光栅的+1、-1级衍射光组合干涉下的干涉信号发生相位移动，但
干涉信号的频率不会发生改变，即周期不会改变；因此，三路干涉信号的初始相位不同、频率相同。
50.在一个实施例中，如图3所示，为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s120的细化流程示意图。参照图3，s120“基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差”，包括：s321、针对三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值。
51.其中，计算每一路干涉信号标定数据的平均值作为该路信号的偏置，得到第一路信号偏置、第二路信号偏置和第三路信号偏置；通过下列公式可计算得到每一路干涉信号的偏置：；其中，表示三路信号通道序列，取值1到3；表示每一干涉信号标定数据的总数；表示干涉信号通道的标定数据；表示计算过程中的变量，变化范围0~n。
52.利用得到的偏置计算幅值，具体为：通过对每一路干涉信号的标准差乘以得到该路信号的幅值，根据下列公式就散得到第一路信号幅值、第二路信号幅值和第三路信号幅值：。
53.s322、基于偏置和幅值，利用皮尔森相关系数法确定三路干涉信号的相位差。
54.具体地，利用皮尔森相关系数法并结合求得的幅值和偏置，计算第二路干涉信号与第一路信号的相位差、以及第二路干涉信号与第一路信号的相位差；计算公式如下：；。
55.在一个实施例中，如图4所示，为本公开实施例提供的另一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的流程示意图。参照图4，在该方法中：s410、获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号。
56.其中，该步骤与s110相同，具体参见s110处的解释，在此不再赘述。
57.s420、基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差。
58.其中，该步骤与s120相同，具体参见s120处的解释，在此不再赘述。
59.s130“基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号”，包括：s430、基于所述三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定两路正交信号。
60.其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0。三路干涉信号的相位差是以第一路干涉信号为基准信号，将第二路干涉信号和第三路干涉信号分别
与第一路干涉信号进行比较得到的；第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为；则三路干涉信号的相位差的实际数量为两个；为了使相位差的数量和干涉信号的数量相等，可将第一路干涉信号与基准信号（即第一路干涉信号）进行比较，即第一路干涉信号与第一路干涉信号的相位差为，且为0。
61.具体地，三路干涉信号强度可通过计算得到的相位差表示；具体公式如下：；；；其中，、和分别表示三路干涉信号的强度；表示干涉信号的直流分量；表示干涉信号交流分量。
62.将上述三个公式联立，可以抵消干涉信号直流分量和交流分量对相位的影响，消除了由电子器件温度漂移、光强漂移等因素的影响，提高光栅尺的测量稳定性和测量精度，联立求的表达式为：；为方便求解引入参数代换：；；；；其中，表示第二路干涉信号的相位差余弦值和第三路干涉信号的相位差余弦值的差；表示第二路干涉信号的相位差正弦值和第三路干涉信号的相位差正弦值的差；表示2倍的第一路干涉信号的相位差余弦值减去第二路干涉信号的相位差余弦值和第三路干涉信号的相位差余弦值的，由于，则；表示2倍的第一路干涉信号的相位差正弦值减去第二路干涉信号的相位差正弦值和第三路干涉信号的相位差正弦值，由于，则。
63.将、、和代换到上述联立公式中，新的联立公式为：；通过对联立公式进行求解，可得到相移量的计算公式为：；由此，依据三角函数计算关系和三步移相算法得出的相移量2ω的表达式，确定两路正交信号的表达式为：
；；；其中，表示三步移相得到的正交信号；表示三步移相得到的正交余弦信号。将三路干涉信号的相位差和代入上述公式，得到正交信号和正交余弦信号。
64.s440、基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度。
65.其中，该步骤与s140相同，具体参见s140处的解释，在此不再赘述。
66.在一个实施例中，如图5所示，为图1所示应用于光栅尺的探测信号处理方法中s140的细化流程示意图。参照图5，s140“基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度”，包括：s541、基于两路正交信号，确定相移量。
67.具体地，已知相移量与正交信号的关系为：；将两路正交信号的表达式和代入上面的公式，相移量的计算公式为：；通过上述公式，计算得到相移量。
68.s542、基于相移量，确定被测目标的位移和/或速度。
69.根据位移和相移量的关系，通过下列公式可得到参考光栅和测量光栅之间的相对位移：；其中，为位移；为相移量；为光栅的栅距。
70.需要说明的是，结合被测目标的位移和对应时长，还可以确定被测目标的速度；可根据用于光栅尺的探测信号处理方法的需求，确定指标设置为被测目标的位移和/或速度，在此不限定。
71.基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种应用于光栅尺的探测信号处理装置，该装置可执行本公开实施例所提供的任一种应用于光栅尺的探测信号处理方法的步骤，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，为避免重复描述，在此不再赘述。该装置可以采用软件和/或硬件实现，并可集成在任意具有计算能力的服务器或电脑等终端设备上。
72.图6为本公开实施例提供的一种应用于光栅尺的探测信号处理装置的结构示意图。参照图6，该装置600包括：信号获取模块610，用于获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号；其中，三路干涉信号的相位均未知；第一确定模块620，用于基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差；其中，三路干涉信号包括第一路干涉信号、第二路干涉信号及第三路干涉信号，三路干涉信号的相位差包括第二路干涉信号与第一路干涉信号的相位差，以及第三路干涉信号与第一路干涉信号的相位差；第二确定模块630，用于基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号；第三确定模块640，用于基于两路正交信
号，确定被测目标的位移和/或速度。
73.在一个实施例中，信号获取模块用于获取读数头在固定速度的运动状态下采集到的三路干涉信号，包括：在读数头在固定速度的运动状态下，实时采集三路初始干涉信号；判断三路初始干涉信号是否满足稳定条件；在三路初始干涉信号满足稳定条件之后，对满足稳定条件的初始干涉信号进行缓存；针对每路干涉信号，缓存至少十个周期的初始干涉信号，得到三路干涉信号。
74.在一个实施例中，三路干涉信号的初始相位不同、频率相同。
75.在一个实施例中，第一确定模块用于基于三路干涉信号，确定三路干涉信号的相位差，包括：针对三路干涉信号中的每一路干涉信号，计算各自的偏置和幅值；基于偏置和幅值，利用皮尔森相关系数法确定三路干涉信号的相位差。
76.在一个实施例中，第二确定模块用于基于三路干涉信号的相位差，确定两路正交信号，包括：基于三路干涉信号的相位差，结合对应的干涉信号强度，利用三步移相法确定两路正交信号；其中，在第一路干涉信号的强度与相位差关联关系中，相位差取值为0。
77.在一个实施例中，第三确定模块用于基于两路正交信号，确定被测目标的位移和/或速度，包括：基于两路正交信号，确定相移量；基于相移量，确定被测目标的位移和速度。
78.在上述实施方式额基础上，本公开实施例还提供了一种电子设备。如图7所示，该电子设备700包括：处理器710和存储器720；处理器710通过调用存储器720存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤，实现对应的有益效果。
79.其中，处理器710可以是中央处理单元（central processing unit，cpu）或者具有数据计算能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备700中的其他组件以执行期望的功能。其中，存储器720可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器（ram）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器（rom）、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器710可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本公开实施例提供的应用于光栅尺的探测信号处理方法，和/或者其他期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储诸如输入信号、信号分量、噪声分量等各种内容在上述实施方式额基础上，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施方式中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当计算机可执行指令被计算装置执行时，可用来实现本公开任一实施例描述的应用于光栅尺的探测信号处理方法。
80.在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种光栅尺。该光栅尺包括读数头，读数头中的三个不同位置处分别设置探测器，用于采集对应位置处的探测信号，构成三路干涉信号；其中，三个不同位置对应的相位未知；光栅尺采用上述任一种方法的步骤实现探测信号处理，具有对应的有益效果，为避免重复描述，在此不再赘述。
81.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
82.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。