一种基于线阵CCD的光栅尺测量系统

(一)本发明涉及的是一种基于线阵ccd的光栅尺测量系统，可以于微米级精度的位移测量，属于光栅尺测量。

背景技术：

0、(二)背景技术

1、光栅尺是一种高精度线位移传感器，它以高精度长光栅作为测量基准，使用光电传感器将光学信号转化为电学信号，通过对电学信号进行处理，最终得到位置信息，常用于数控机床的闭环伺服系统中。其为精密测量位移和角度的工具，在测量精度、分辨力、可靠性、环境要求、价格等方面综合优势较好，所以光栅尺广泛应用在数控机床、机器人、雷达、地质形变测量等诸多领域。

2、当前国内增量式光栅尺采用的摩尔条纹光电系统，采用标尺光栅、4个led、指示光栅、4个光电池组成。由于不同led发光强度不一样，对光电池接收信号精度有影响；另外光栅尺上若存在污染，则会影响其中一个或者几个相位信号幅值，影响光栅尺的精度；而光电池接收到信号后将信号调制成方波信号，导致此种方法精度达到5um，已经很难满足对精度要求日益增高的现代数控加工要求。

3、本发明公开了一种基于线阵ccd的光栅尺测量系统。可以用于微米级精度的位移测量，可广泛用于数控机床直线位移或高精度直线位移等领域。与之前技术相比，由于线阵ccd的使用，能够更加稳定准确接收到一段光学信号，抗污染能力强，信号质量好，能够接收更长更多光学信号，相比较于传统的光电池等光电探测器，经过处理能够达到更高精度。

技术实现思路

0、(三)
技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种结构简单、高精度的基于线阵ccd的光栅尺测量系统。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、该光栅尺测量系统是由可调节光强的发光二极管1发出的白光经过透镜2和反射镜3后形成平行光通过整周期20um的标尺光栅4，再通过4个栅距为20um，依次相差若干个整数加上1/4栅距的指示光栅5，形成明暗相间的条纹，被线阵ccd读数头6上的线阵ccd接收，经信号前处理模块7的ad单元处理后由fpga信号控制模块8进行滤波以及算法实现，最后由上位机9显示移动距离。

4、发光二极管发出的白光经过透镜形成平行光，反射镜与透镜主光轴成45°将平行光反射到指示光栅。

5、采用的线阵ccd读数头，该读数头与发射白光的发光二极管1、透镜2、反射镜3、指示光栅5、线阵ccd连接起来，其中指示光栅与标尺光栅刻划面贴合，并且标尺光栅和指示光栅的刻划线平行。线阵ccd和指示光栅，发光二极管中心在同一高度，线阵ccd的一排传感器和指示光栅的刻划线垂直。

6、指示光栅是由4段相位差整数倍又1/4栅距光栅组成，4段指示光栅之间的位置关系满足如下关系：

7、

8、其中p为光栅的栅距，n为正整数。使用平行光照明，光栅刻画面贴合，则线阵ccd接收到的光强与两光栅透明部分重合面积成正比。

9、信号前处理模块连接线阵ccd和fpga控制模块8，其中dc/dc降压单元1连接ad单元、dc/dc降压单元2以及dc/dc升压单元，dc/dc降压单元2与dc/dc升压单元连接。

10、dc/dc降压单元1为ad单元、dc/dc降压单元2和dc/dc升压单元提供稳定电压，dc/dc降压单元2为dc/dc升压单元提供稳定电压，dc/dc升压单元为驱动线阵ccd信号升压，ad单元将从线阵ccd接收到的模拟信号转换为数字信号。

11、由于光学系统、机械系统、电子学系统等存在误差，导致输出的信号并不是理想的正弦信号，可由下面式子表示：

12、

13、a0、b0、c0、d0表示直流分量，n表示的是谐波阶次，an、bn、cn、dn表示的是第n次谐波的幅值,φn、ψn、γn表示的是第n次谐波的相位。

14、fpga控制模块对输入的数字信号进行中值滤波，得到更为接近实际信号的，s'a、s'b、s'c、s'd将相位差180°的摩尔条纹做差可以抑制直流分量和偶次谐波，再进行cordic算法，求出相位x1:

15、

16、x1延时得x2，x1与前一周期相位x'2差值x3，相位幅值x4，若x3大于x4/2,则运动1个整周期，否则运动x1；

17、总相位x为整数个幅值mx4加上x1；

18、x＝mx4+x1                            (4)

19、再将x转换为对应计数关系的位移y。

技术特征：

1.一种基于线阵ccd的光栅尺测量系统。其特征是：它由发光二极管1、透镜2、反射镜3、标尺光栅4、指示光栅5、线阵ccd读数头6、信号前处理模块7、fpga信号控制模块8、上位机9组成。所述系统中发光二极管1发出的白光经过透镜2和反射镜3后形成平行光通过标尺光栅4，再通过指示光栅5，形成明暗相间的条纹，被线阵ccd读数头6上的线阵ccd接收，经信号前处理模块7的ad单元处理后由fpga信号控制模块8进行滤波以及算法实现，最后由上位机9显示移动距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于线阵ccd的光栅尺测量系统采用的线阵ccd读数头，其特征是：该读数头与发光二极管1、透镜2、反射镜3、指示光栅5、线阵ccd连接起来，其中指示光栅与标尺光栅刻划面贴合，并且标尺光栅和指示光栅的刻划线平行。线阵ccd和指示光栅，发光二极管中心在同一高度，线阵ccd的一排传感器和指示光栅的刻划线垂直。

3.根据权利要求1所述的信号前处理模块，其特征是：该信号前处理模块连接线阵ccd和fpga控制模块，其中dc/dc降压单元1连接ad单元、dc/dc降压单元2以及dc/dc升压单元，dc/dc降压单元2与dc/dc升压单元连接。

技术总结
本发明提供的是一种基于线阵CCD的光栅尺测量系统。其特征是：它由可调节光强的发光二极管、透镜、反射镜、标尺光栅、指示光栅、线阵CCD读数头、信号前处理模块、FPGA信号控制模块、上位机组成。本发明通过线阵CCD采集光强信号，能够获得较为稳定准确的信号，从信号上截取4段进行处理，得到位移。本发明可以于微米级精度的位移测量，属于光栅尺测量技术领域。

技术研发人员：熊显名,玉光等,杜浩,张文涛,徐宋通,曾创,韩雪
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11