一种太赫兹连续波快速精准扫描系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，系统包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动电机运动的驱动器接收FPGA控制主板发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与FPGA控制主板连接，FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收FPGA控制主板采集的数据实现灰度成像。采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集的基准时钟，避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的影响，提高了扫描速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹连续波快速精准扫描系统
本技术涉及太赫兹连续波扫描成像
，尤其涉及一种太赫兹连续波快速精准扫描系统。
技术介绍
现有的太赫兹连续波扫描系统及方法，按照工作模式分为逐点扫描方式和连续扫描方式。逐点扫描模式采用走一步、采一点的处理方式，电机运行和数据采集是间断的。这种模式能够针对检测样品的准确位置进行数据采集，但是工作周期长，成像效率低。连续扫描模式采用并行处理方式，电机运行和数据采集都是连续进行的，在检测样品的连续运动过程中，完成对其成像。这种模式虽然提高了成像效率，但在启动和停止过程中电机速度变化会带来检测样品运动的非匀速性，造成数据采集点位置分布的非均匀性，最终影响成像效果。有的采用加大检测样品扫描范围，只选取采集数据的中间部分作为有效数据的方法，在一定程度上抑制了电机变速造成的影响，但仍未解决机械结构误差、电机速度不稳定带来的定位误差问题。而且，电机速度越快，稳定性越差，扫描误差越大，传统方法无法解决扫描速度与精度的固有矛盾。
技术实现思路
本技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集A/D模块的基准时钟，从根本上避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的不利影响，解决了扫描速度与精度的固有矛盾，提高了扫描速度和精度。为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机分别通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动所述X轴电机和Y轴电机运动的驱动器接收FPGA控制主板的电机控制模块发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与所述FPGA控制主板连接，所述FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收所述FPGA控制主板的数据采集模块采集的数据实现灰度成像。所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅和X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构上。所述X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与所述时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给所述FPGA控制主板作为A/D信号采集时钟。所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当X轴光栅传感器运行至X轴标尺光栅中心点时会输出一个X轴标尺中心点脉冲信号。所述Y轴光栅尺包括Y轴标尺光栅、Y轴光栅传感器，Y轴标尺光栅固定在与Y轴平行的支架上，Y轴光栅传感器安装在Y轴传动机构上。所述FPGA控制主板包括扫描位置模块，实时读取计数X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，实现X轴、Y轴扫描坐标精确定位。所述Y轴光栅传感器与Y轴标尺光栅相对移过一个栅距，Y轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当Y轴光栅传感器运行至Y轴标尺光栅中心点时会输出一个Y轴标尺中心点脉冲信号。所述FPGA控制主板包括数据传输模块，数据传输模块采用PCIE总线，实现FPGA控制主板与上位机的数据传输功能。所述时钟发生器包括依次连接的分路器、延迟模块、合路器及方波整形器。本技术的有益效果：(1)本技术的电机控制、扫描定位、数据采集以及与上位机通信等功能均采用单片FPGA控制器来实现，解决了采用多控制器时由于时钟异步造成的扫描误差，节省了系统资源，提高了扫描效率。(2)本技术采用FPGA内部锁相环(PLL)产生的高速倍频时钟，作为电机的脉冲信号源，可以实现电机的最高速运行，提高了扫描速度。(3)本技术采用光栅尺传感器输出的方波信号作为数据采集A/D模块的基准时钟，采集数据的时刻只与标尺光栅和光栅传感器的相对位置有关，从根本上避免了扫描过程中机械结构误差、电机速度不稳定、电机变速给扫描精度造成的不利影响，使得电机即使工作在最高速状态，也不会影响扫描精度，解决了扫描速度与精度的固有矛盾问题，同时提高了扫描速度和精度。(4)本技术的FPGA控制器上传的每行数据中若干个扫描点的存储顺序和标尺光栅的栅距一一对应，上位机灰度成像时不再需要电机扫描的位置坐标，进一步提高了扫描速度。附图说明图1为本技术的扫描系统结构图；图2为本技术的X_Y扫描台左视图；图3为本技术的FPGA控制主板结构图；图4为本技术的光栅栅距与光栅传感器输出的正交方波关系图；图5为本技术的A/D时钟产生器结构图；图6为本技术的A/D工作时序图；图7为本技术的一种改进太赫兹连续波快速精准扫描方法流程图。其中，1.Y轴步进电机，2.Y轴标尺光栅，3.Y轴光栅传感器，4.X轴步进电机，5.底座，6.X轴传动机构，7.Y轴传动机构，8.样品夹具。具体实施方式下面结合附图与实施例对本技术作进一步说明。如图1、图2、图3所示，一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，包括底座5，底座5上设有样品夹具8、X_Y扫描台、FPGA控制主板、时钟发生器以及上位机。所述X_Y扫描台由X轴步进电机4、Y轴步进电机1，X轴传动机构6、Y轴传动结构7和X轴光栅尺、Y轴光栅尺组成。所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅、X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构6上；所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当X轴光栅传感器运行至X轴标尺光栅中心点时会输出一个X轴标尺中心点脉冲信号。所述Y轴光栅尺包括Y轴标尺光栅2、Y轴光栅传感器3，Y轴标尺光栅2固定在与Y轴平行的支架上，Y轴光栅传感器3安装在Y轴传动机构7上。所述Y轴传感器与Y轴标尺光栅相对移过一个栅距，Y轴光栅传感器就输出两路正交的方波信号，当Y轴光栅传感器运行至Y轴标尺光栅中心点时会输出一个Y轴标尺中心点脉冲信号。所述FPGA控制主板可进行并行处理，包括电机控制模块、扫描位置模块、数据采集模块、数据传输模块；所述电机控制模块发送脉冲、方向、使能信号给X、Y轴电机驱动器，实现X轴步进电机、Y轴步进电机的运行控制功能；所述电机控制模块发送的脉冲信号来自FPGA内部锁相环(PLL)输出的高速倍频时钟，实现电机的最高速运行；所述扫描位置模块实时读取、计数X轴光栅传感器、Y轴光栅传感器输出的第一路方波信号，实现X轴、Y轴扫描坐标精确定位；所述数据采集模块包括A/D模块实现扫描点数据实时采集与缓存功能；所述时钟发生器由分路器、延迟模块、合路器、方波整形器组成，X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给A/D模块作为A/D信号采集时钟；所述数据传输模块采用PCIE总线，实现FPGA控制主板与上位机的数据传输功能；所述上位机与FPGA交互通信，实现参数设置、扫描台复位、连续扫描等操作指令，接收FPGA控制主板上传的扫描数据，实现灰度成像。如图3、图4、图5、图6、图7所示，采用所述一种太赫兹连续波快速精准扫描系统的扫描方法，当光栅尺最小分辨率是1um，要对平面面积100mm*100mm的样品进行扫描，该方法包括以下步骤：步骤(1)：操作人员在上位机程序中设置样品扫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，其特征是，包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机分别通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动所述X轴电机和Y轴电机运动的驱动器接收FPGA控制主板的电机控制模块发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与所述FPGA控制主板连接，所述FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收所述FPGA控制主板的数据采集模块采集的数据实现灰度成像。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，其特征是，包括X轴电机、Y轴电机、X轴光栅尺及Y轴光栅尺，X轴电机和Y轴电机分别通过X轴传动结构和Y轴传动结构带动X轴和Y轴转动；驱动所述X轴电机和Y轴电机运动的驱动器接收FPGA控制主板的电机控制模块发送的脉冲信号，该脉冲信号来自FPGA内部锁相环输出的高速倍频时钟；X轴光栅尺通过时钟发生器与所述FPGA控制主板连接，所述FPGA控制主板通过X轴光栅尺及Y轴光栅尺实现扫描过程中的精确定位；上位机接收所述FPGA控制主板的数据采集模块采集的数据实现灰度成像。2.如权利要求1所述一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，其特征是，所述X轴光栅尺包括X轴标尺光栅和X轴光栅传感器，X轴标尺光栅固定在与X轴平行的支架上，X轴光栅传感器安装在X轴传动机构上。3.如权利要求2所述一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，其特征是，所述X轴光栅传感器输出的第二路方波信号与所述时钟发生器相连，时钟发生器输出间断的时钟信号给所述FPGA控制主板作为A/D信号采集时钟。4.如权利要求2所述一种太赫兹连续波快速精准扫描系统，其特征是，所述X轴光栅传感器与X轴标尺光栅相对移过一个栅距，X轴光栅传感器就输...

【专利技术属性】
技术研发人员：常天英，王忠民，张延波，崔洪亮，杨传法，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：新型
国别省市：山东,37