一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，包括光栅传感光路单元、信号处理单元。光栅传感光路单元包括准直光源、MEMS扫描镜、主光栅和指示光栅，信号处理单元包括光电转换、锁相环相。本发明专利技术采用MEMS振镜结构对指示光栅相对主光栅的相对位移信号进行相位调制，采用单个探测器即可实现位移的精密测量。通过锁相环在特定谐波频谱处对信号进行解调处理，把测量信号迁移出低频带，克服了直流漂移等低频变化的影响，同时在信号处理中亦可有效降低高频带噪声的影响，避免了传统光栅传感器两路或者四路信号带来的正交误差，降低直流漂移和幅值波动对测量结果的影响，提高了测量系统在低速和高速位移测量时的测量精度。

A grating sensor displacement measurement system based on phase modulation

The invention discloses a grating sensor displacement measuring system based on phase modulation, which comprises a grating transmitting photosensitive path unit and a signal processing unit. The grating transmitting photosensitive path comprises a collimated light source, a MEMS scanning mirror, a main grating and an indicating grating, wherein the signal processing unit comprises a photoelectric conversion and a phase-locked loop phase. The invention adopts the MEMS galvanometer structure to phase modulate the relative displacement signals of the indication grating relative to the main grating, and realizes precise measurement of displacement with a single detector. The phase-locked loop in specific harmonic spectrum of signal demodulation, the measuring signal migrated out of the low frequency band, to overcome the effects of the DC drift frequency changes, at the same time in signal processing can effectively reduce the influence of noise in high frequency band, the orthogonal error caused the traditional grating sensor two or four signals to avoid, reduce the impact DC drift and amplitude fluctuation on the measurement results, improve the accuracy of measuring system at low speed and high speed displacement measurement of the.

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统
本专利技术涉及精密位移测量系统领域，具体是一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统。
技术介绍
光栅位移测量传感器根据莫尔条纹原理实现位移测量，在测量范围、测量精度、响应速度等方面具有显著技术优势，在加工机床、测量仪器、半导体加工设备等领域广泛应用。光栅传感器以光栅周期为基本测量单位进行位移测量，随着光刻技术的进步，光栅的周期愈来愈小，从而为实现更高精度测量提供更为精密的标尺。随着光栅刻划密度的增加，光栅信号的读取更易受到对准、振动等因素的干扰，从而在光栅光电读取信号中产生测量误差。光栅读取的测量正交信号的主要误差因素包括直流漂移、幅值波动、相位差等。相位误差通常是主光栅和读数头对准导致的系统误差，可通过后继信号处理进行检测与补偿。光源功率输出不稳定、光电探测器及驱动电路零漂都是造成直流漂移的因素，在实际读取中虽然可以利用差动放大技术降低直流漂移影响，但光电探测器的差异等因素并不能有效去除直流分量。幅值波动的影响因素有：光栅面光学特性的不均匀以及实际应用中测量速度变化。测量信号读取时，由于低通滤波降噪以及光电转换器件的固有特性，当测量速度较大时测量信号的幅值下降，在应用过程中，虽然可以采用数字信号处理手段实现良好的稳幅，但这些方法都是从幅值的变化规律中去预测下一时间点的信号幅值修正值，实时性较差，从而实际应用中限制了测量速度。在高精度测试需求场合，莫尔条纹正交信号检测的光栅传感方法难以去除直流漂移和幅值波动的干扰，阻碍了光栅测量传感器精度的进一步提高。主要问题有两个方面：在测量启动和测量停止前后时刻，当位移速度接近零时，测量信号频率与低频干扰信号频率相近，在光栅信号处理电路中难以进行测量信号和干扰信号的分离，从而给测量带来较大误差；当测量速度较大时，光电检测获得正交测量信号幅值明显下降，从而在对信号的细分中会产生较大误差甚至无法细分。
技术实现思路
本专利技术目的是针对莫尔条纹的光栅测量原理在高精度测量领域的缺陷，提出一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：包括光栅传感光路单元、信号处理单元，其中：光栅传感光路单元包括准直光源、MEMS振镜、相对移动的主光栅和指示光栅，准直光源出射的准直光束入射至MEMS振镜，所述MEMS振镜以固定角速度扫描转动，在扫描转动过程中将准直光束反射至主光栅，由相对移动的主光栅与指示光栅使准直光束形成莫尔条纹光信号，该莫尔条纹光信号同时包含MEMS振镜扫描转动信息，以及主光栅和指示光栅的相对位移信息；信号处理单元包括光电转换单元、锁相环，所述光电转换单元接收莫尔条纹并将莫尔条纹光信号转换为电信号，该电信号为相位调制信号，即指示光栅和主光栅相对位移产生对应位移的相位信号经MEMS振镜扫描产生的周期振幅信号的调制，所述锁相环接收相位调制信号，由锁相环在MEMS振镜的谐振扫描频率上对相位调制信号解调即可获得位移测量信号。所述的一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：指示光栅和主光栅相对静止时，准直光束入射至MEMS振镜，MEMS振镜以固定角速度扫描转动，将准直光束反射到主光栅，主光栅与指示光栅相对移动时形成的莫尔条纹光信号按与MEMS振镜相同的角速度摆动，该莫尔条纹光信号经光电转换单元转换后得到电信号，该电信号是与MEMS振镜相同扫描频率的周期信号，光电转换单元接收莫尔条纹光信号的位置不同电信号的幅值不同。所述的一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：所述光电转换单元包括光电转换电路和前置放大电路，光电转换电路由一个光电探测器实现光电信号的检测，由光电转换电路将莫尔条纹光信号转换为电信号，并由前置放大电路放大后输出。所述的一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：所述信号处理单元采用单路信号即可实现指示光栅相对主光栅的相对位移的细分与辨向，信号处理单元采用锁相环对单路信号进行位移信号的解调，基于锁相环，在特定谐波频谱处对信号进行解调，把测量信号迁移出低频带，克服了直流漂移等低频干扰的影响，避免了传统光栅传感器两路或者四路信号带来的正交误差，降低直流漂移和幅值波动对测量结果的影响，提高测量系统在低速和高速位移测量时的测量精度。本专利技术基于传统光栅传感结构，在光路中采用MEMS振镜结构对指示光栅相对主光栅的相对位移信号进行相位调制，采用包含单个光电探测器的光电转换单元即可实现位移的精密测量。本专利技术既保留了传统光栅传感器指示光栅和主光栅产生莫尔条纹的结构，引入MEMS振镜对测量信号进行相位调制，采用的锁相环对相位进行解调，单路调制信号即可实现高倍细分与辨向，简化了光电检测器的个数，避免了传统光栅传感器两路或者四路信号带来的正交误差，降低直流漂移和幅值波动对测量结果的影响，提高了测量系统在低速和高速位移测量时的测量精度。附图说明图1是基于相位调制的光栅传感器位移测量系统框图。图2是锁相环示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，如图1所示为基于相位调制的光栅传感器位移测量系统框图，包括光栅传感光路单元、信号处理单元。光栅传感光路单元包括由LED光源1和准直镜2构成的准直光源、MEMS振镜3、主光栅4和指示光栅5，信号处理单元包括光电转换单元6、锁相环7。本专利技术在光栅传感光路单元中，LED光源1光束经准直镜2准直后入射到MEMS振镜3，MEMS振镜3以固定角速度扫描转动，将准直光束反射到主光栅4上，指示光栅5和主光栅4相对位移时，主光栅4与指示光栅5形成的莫尔条纹同时包含MEMS振镜3扫描转动与相对位移的信息，该信号经过光电转换后形成的电信号为相位调制信号，即指示光栅5和主光栅4相对位移产生对应位移的相位信号经MEMS振镜3扫描产生的周期振幅信号的调制，该相位调制信号通过锁相环解调即可获得位移测量信号。相位调制把位移测量正弦信号调制为相位信号，通过锁相环在特定谐波频谱处对信号进行解调处理，把测量信号迁移出低频带，克服了直流漂移等低频变化的影响，同时在信号处理中亦可有效降低高频带噪声的影响，实现较高精度的位移测量信号解调。LED光源1发出光束通过准直镜2准直后经过MEMS振镜3反射后入射至主光栅4，主光栅4与指示光栅5相对移动形成莫尔条纹。MEMS振镜的扫描振动方程为：I＝msinwt。光电探测器处检测到的光强信号为相位调制型余弦信号，信号如式(1)：I(t)＝A+Bcos(kx+kmsinwt)(1)其中，A表示信号的直流分量，B表示信号交流分量的幅值。表示由主光栅与指示光栅相对位移产生的莫尔条纹信号相位变化周期，d表示光栅常数，msinwt表示MEMS振镜的振动对信号相位变化的周期性影响，其中m代表振镜振动相位影响的幅值，w为MEMS振镜的扫描振动角频率。信号处理的过程即从式(1)所示信号中解调相位kx的过程。本专利技术运用的是锁相环技术进行相位解调，如图2所示为锁相环示意图，锁相环是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个环路部件组成的一个反馈控制系统。在锁相环路中，鉴相器的作用是比较输入信号I(t)cos0.5wt与压控振荡器的输出信号sin(2.5wt+θ)之间的相位，将此相位差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：包括光栅传感光路单元、信号处理单元，其中：光栅传感光路单元包括准直光源、MEMS振镜、相对移动的主光栅和指示光栅，准直光源出射的准直光束入射至MEMS振镜，所述MEMS振镜以固定角速度扫描转动，在扫描转动过程中将准直光束反射至主光栅，由相对移动的主光栅与指示光栅使准直光束形成莫尔条纹光信号，该莫尔条纹光信号同时包含MEMS振镜扫描转动信息，以及主光栅和指示光栅的相对位移信息；信号处理单元包括光电转换单元、锁相环，所述光电转换单元接收莫尔条纹并将莫尔条纹光信号转换为电信号，该电信号为相位调制信号，即指示光栅和主光栅相对位移产生对应位移的相位信号，经MEMS振镜扫描产生的周期振幅信号的调制，所述锁相环接收相位调制信号，由锁相环在MEMS振镜的谐振扫描频率上对相位调制信号解调即可获得位移测量信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：包括光栅传感光路单元、信号处理单元，其中：光栅传感光路单元包括准直光源、MEMS振镜、相对移动的主光栅和指示光栅，准直光源出射的准直光束入射至MEMS振镜，所述MEMS振镜以固定角速度扫描转动，在扫描转动过程中将准直光束反射至主光栅，由相对移动的主光栅与指示光栅使准直光束形成莫尔条纹光信号，该莫尔条纹光信号同时包含MEMS振镜扫描转动信息，以及主光栅和指示光栅的相对位移信息；信号处理单元包括光电转换单元、锁相环，所述光电转换单元接收莫尔条纹并将莫尔条纹光信号转换为电信号，该电信号为相位调制信号，即指示光栅和主光栅相对位移产生对应位移的相位信号，经MEMS振镜扫描产生的周期振幅信号的调制，所述锁相环接收相位调制信号，由锁相环在MEMS振镜的谐振扫描频率上对相位调制信号解调即可获得位移测量信号。2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制的光栅传感器位移测量系统，其特征在于：指示光栅和主光栅相对静止时，准直光束入射至MEMS振镜，MEMS振镜以固定角速度扫描转动，将准直光束反...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏豪杰，张欣，张海铖，陈长春，胡梦雯，吴晓婷，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34