一种光栅信号细分装置及方法

摘要

本发明适用于精密测量技术领域，提供了一种光栅信号细分装置及方法，光栅信号细分装置包括：调制模块，用于对光栅信号进行时间调制，生成包含有光栅位移信息的时间调制信号；测量模块，与所述调制模块连接，所述测量模块包括时间数字转换器，所述测量模块用于测量所述时间调制信号中的时间值；处理模块，分别与所述调制模块和所述测量模块连接，所述处理模块用于控制所述调制模块和所述测量模块，并用于根据所述时间值计算光栅位移。本方案通过设置调制模块和测量模块，在将光栅信号调制成时间调制信号后，可以通过测量模块获取时间值，处理模块可以直接根据时间值计算光栅位移，有效减少了处理模块的计算量，提高了装置的响应速度。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，尤其涉及一种光栅信号细分装置及方法。

背景技术

光栅一般是指在玻璃尺(或金属尺)或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，用平行光束照射时，没有刻划的地方透光，刻划的地方发黑不透光，从而形成黑白相间的条纹，这就是光栅。利用光栅的莫尔条纹现象可以将光栅用于位移测量，目前光栅被广泛应用与精密量仪、智能制造装备等领域。由于光刻工艺的限制，光栅尺的刻线密度难以进一步提高，需要通过电子细分来提高位移测量分辨力及精度，特别是对于纳米级精度的测量需求，必须通过高倍数、高线性度的细分装置来实现。

现有技术中，光栅信号的细分主要可以通过硬件细分和软件细分，其中软件细分方法中处理器的计算繁琐，响应速度慢。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光栅信号细分装置，旨在解决现有技术中，光栅信号的软件细分方法中处理器的计算繁琐，响应速度慢的技术问题。

本发明实施例是这样实现的，所述光栅信号细分装置包括：

调制模块，用于对光栅信号进行时间调制，生成包含有光栅位移信息的时间调制信号；

测量模块，与所述调制模块连接，所述测量模块包括时间数字转换器，所述测量模块用于测量所述时间调制信号中的时间值；

处理模块，分别与所述调制模块和所述测量模块连接，所述处理模块用于控制所述调制模块和所述测量模块，并用于根据所述时间值计算光栅位移。

本发明实施例的另一目的在于提供一种光栅信号细分方法，应用于上述的光栅信号细分装置，所述光栅信号细分方法包括：

将光栅信号调制成包括有光栅位移信息的时间调制信号；

测量所述时间调制信号中的时间值；

根据所述时间值确定光栅位移。

本发明实施例提供的一种光栅信号细分装置，通过在光栅信号细分装置中设置调制模块和测量模块，可以通过调制模块将光栅信号调制成时间调制信号，然后通过测量模块测量时间调至信号中的时间值，从而处理模块可以直接根据光栅信号中的时间值、光栅栅距以及载波信号的周期计算光栅位移值，简化了处理模块的计算量，提高了处理模块的响应速度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种光栅信号细分装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种调制模块的电路结构图；

图3为本发明实施例提供的一种测量模块的电路结构图；

图4为本发明实施例提供的一种处理模块的电路结构图；

图5为本发明实施例提供的一种数据接口的电路结构图；

图6为本发明实施例提供的光栅信号转换的波形图；

图7为本发明实施例提供的一种光栅信号细分方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的一种将光栅信号调制成包括有光栅位移信息的时间调制信号的流程图；

图9为本发明实施例提供一种测量所述时间调制信号中的时间值的流程图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种光栅信号细分装置的结构框图，所述光栅信号细分装置包括：

调制模块，用于对光栅信号进行时间调制，生成包含有光栅位移信息的时间调制信号；

测量模块，与所述调制模块连接，所述测量模块包括时间数字转换器，所述测量模块用于测量所述时间调制信号中的时间值；

处理模块，分别与所述调制模块和所述测量模块连接，所述处理模块用于控制所述调制模块和所述测量模块，并用于根据所述时间值计算光栅位移。

在本发明实施例中，对调制模块具体结构不做限制，例如，如图2所示，调制模块可以包括第一放大器、第二放大器、第一滤波器、第二滤波器、乘法数模转换器以及减法器，其中，第一放大器和第二放大器为调制模块的输入端，第一放大器和第二放大器的输出端分别连接第一滤波器和第二滤波器的输入端，第一滤波器和第二滤波器的输出端连接乘法数模转换器的输入端，乘法数模转换器的输出端连接减法器的输入端；第一放大器和第二放大器分别用于对光栅正弦信号和光栅余弦信号进行放大处理，第一滤波器和第二滤波器分别用于对放大后的光栅正弦信号和放大后的光栅余弦信号进行滤波处理，滤波后的光栅正弦信号与滤波后的光栅余弦信号在乘法数模转换器中分别与第一载波信号和第二载波信号相乘得到第一驻波信号和第二驻波信号，第一载波信号为预设固定周期的正弦波信号，第二载波信号为与第一载波信号具有相同周期的余弦波信号，第一载波信号和第二载波信号可以通过乘法数模转换器将从处理模块接收到的二进制形式的第一载波信号和第二载波信号转换成模拟量而获得，最后第一驻波信号和第二驻波信号在减法器的作用下做减法运算，获得时间调制信号。

在本发明实施例中，对第一放大器、第二放大器、第一滤波器、第二滤波器、乘法数模转换器以及减法器的具体结构不做限制，第一放大器和第二放大器均为同相比例的放大器，第一滤波器和第二滤波器均为一阶低通滤波器，通过放大器和滤波器对光栅正余弦信号进行调理，可以获得更高的信噪比，减小噪声对位移测量的影响，提高位移测量精度，乘法数模转换器能够双通道同时工作，例如，如图2所示，第一放大器包括运算放大器U1A和电阻R3、电阻R4；第二放大器包括运算放大器U1B和电阻R9、电阻R10；第一滤波器包括运算放大器U5A、电阻R1以及电容C1；第二滤波放大器包括运算放大器U5B、电阻R6以及电容C3；乘法数模转换器包括DA芯片U7、运算放大器U8B、运算放大器U8A、运算放大器U10B、运算放大器U10A以及电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，其中，DA芯片U7的型号例如可以为AD5547，电容C4、电容C5、电容C6、电容C7分别并联在运算放大器U8B、运算放大器U8A、运算放大器U10B、运算放大器U10A的反向输入端和输出端之间；减法器包括运算放大器U9、电阻R12、电阻R11、电阻R13、以及电阻R14；运算放大器U5A的输出端和运算放大器U5B的输出端分别连接DA芯片U7的5号引脚和15号引脚，二进制形式的第一载波信号和第二载波信号从DA芯片U7的DA_Data端口输入，DA控制信号从U7的DA Ctrl端口输入，运算放大器U8A和运算放大器U10A的输出端连接分别通过电阻R12、R11连接运算放大器U9。本发明实施例中通过在调制模块中设置乘法数模转换器，即可以将二进制的载波信号转换为模拟量，同时可以使光栅正弦信号和光栅余弦信号分别与第一载波信号和第二载波信号相乘完成信号调制，简化系统结构。本发明实施例中通过在调制模块中设置减法器，即可以完成减法运算获得时间调制信号，又可以有效抑制光栅正弦信号和光栅余弦信号中的共模干扰，减小位移测量误差。

在本发明实施例中，测量模块中包括时间数字转换器，时间数字转换器也称为TDC(Time-to-Digital Converter)，可以用于精密时间间隔的测量，且TDC的时间测量精度高，可以进一步提高光栅位移的计算精度。如图3所示，测量模块还可以包括第三滤波器、第三放大器以及滞回比较器，其中第三滤波器为测量模块的输入端与调制模块的输出端连接，时间数字转换器为测量模块的输出端；第三滤波器可以用于对调制模块输出的时间调制信号进行滤波处理；第三放大器用于对滤波处理后的时间调制信号进行放大处理；滞回比较器则用于将放大处理后的时间调制信号转换为时间脉冲信号U

在本发明实施例中，对第三滤波器、第三放大器、滞回比较器以及时间数字转换器的结构不做限制，第三滤波器为一阶低通滤波器，第三放大器为同相比例放大器，例如，如图3所示，第三滤波放大器包括运算放大器U2、电阻R2以及电容C2；第三放大器包括运算放大器U3、电阻R7及电阻R8；滞回比较器包括芯片U4和电阻R5；时间数字转换器包括芯片U6以及晶振Y1，芯片U6的型号可以为TDC-GPX，但不限于此；调制模块输出的时间调制信号U

在本发明实施例中，处理模块用于控制调制模块和测量模块指处理模块可以与控制模块和测量模块之间控制信号交互以分别控制调制模块和测量模块工作，本实施例对处理模块的具体结构不做限制，例如，如图4所示，处理模块可以包括处理芯片U11、晶振Y2、电容C31、电容C33、电容C37、电容C17、电容C18、电感L1、开关S1以及分压电阻其中处理芯片U11在图X中表示为U11A和U11B两部分，处理芯片U11的型号可以为STM32F407-VGT6，但不限于此。二进制形式的第一载波信号和第二载波信号通过处理芯片U11的DA_Data端口输出给乘法数模转换器，乘法数模转换器的控制信号通过处理芯片U11的DA_Ctrl端口输出，时间基准信号U

在本发明实施例中，优选地，光栅信号细分装置还可以包括数据接口，数据接口可以用于使光栅信号细分装置将计算得到的位移值发送到其他设备。本实施例对数据接口的具体结构不做限制，例如，如图5所示，数据接口可以包括芯片U12，电容C22、电容C26、电容C23、电容C27以及连接器J1，芯片U12的型号可以为MAX3232EEUE+，但不限于此。

本发明实施例提供的一种光栅信号细分装置，通过在光栅信号细分装置中设置调制模块和测量模块，可以通过调制模块将光栅信号调制成时间调制信号，然后通过测量模块测量时间调至信号中的时间值，从而处理模块可以直接根据光栅信号中的时间值、光栅栅距以及载波信号的周期计算光栅位移值，简化了处理模块的计算量，提高了处理模块的响应速度。调制模块中设置放大器、滤波器、乘法数模转换器和减法器，放大器与滤波器可以提高光栅信号信噪比，减法器可以抑制共模干扰，由此进一步提高位移测量精度；乘法数模转换器可以将将二进制的载波信号转换为模拟量，同时可以使光栅正弦信号和光栅余弦信号分别与第一载波信号和第二载波信号相乘完成信号调制，相比于分别单独设置数模转换器和乘法器，有效简化系统结构。测量模块中设置滤波器、滞回比较器、时间数字转换器，滤波器与滞回比较器可以有效提高装置的抗干扰能力；时间数字转换器的识别精度高，可以提高时间值计算的准确性，进一步提高光栅位移的计算精度。

如图7所示，在本发明的另一个实施例中，提供了一种光栅信号细分方法，应用于上述的光栅信号细分装置，所述光栅信号细分方法包括：

步骤S202，将光栅信号调制成包括有光栅位移信息的时间调制信号。

在本发明实施例中，将光栅信号调制成包括有光栅位移信息的时间调制信号可以由光栅信号细分装置的调制模块执行。具体地，如图8所示，将光栅信号调制成包括有光栅位移信息的时间调制信号可以包括：

步骤S302，将光栅正弦信号和光栅余弦信号分别进行放大。

在本发明实施例中，如图6所示，光栅信号包括光栅正弦信号U

步骤S304，对放大后的光栅正弦信号和放大后的光栅余弦信号分别进行滤波。

步骤S306，将滤波后的光栅正弦信号和滤波后的光栅余弦信号分别与第一载波信号和第二载波信号相乘，获得第一驻波信号和第二驻波信号。

在本发明实施例中第一载波信号和第二载波信号为预设固定周期T的正弦信号和余弦信号，本实施例对固定周期T的具体值不做限制。如图6所示，第一驻波信号U

步骤S308，将所述第一驻波信号与所述第二驻波信号做减法运算确定所述时间调制信号。

在本发明实施例中，时间调制信号U

步骤S204，测量所述时间调制信号中的时间值。

在本发明实施例中，测量时间调制信号中的时间值可以由光栅信号细分装置中的测量模块执行。具体地，如图9所示，测量所述时间调制信号中的时间值可以包括：

步骤S402，对所述时间调制信号进行滤波。

步骤S404，将滤波后的时间调制信号进行放大。

步骤S406，将放大后的时间调制信号转换为时间脉冲信号。

在本发明实施例中，如图6所示，时间调制信号为模拟量，通过将模拟量的时间调制信号U

步骤S408，根据所述时间脉冲信号和时间基准信号计算所述时间值。

在本发明实施例中，如图6所示，将时间脉冲信号U

步骤S206，根据所述时间值计算光栅位移。

在本发明实施例中，计算所述位移值s的公式表达为：

其中，W为光栅固有参数，T第一载波信号和第二载波信号的周期。

本发明实施例提供的一种光栅信号细分方法，通过将光栅信号调制成时间调制信号，然后通过测量时间调制信号中的时间值计算光栅位移，计算简单，提高光栅位移计算效率，同时可以获得较高的位移测量精度。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。