一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺制造技术

本发明专利技术公开了一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，包括直栅线光栅以及直斜栅线光栅，垂直栅线光栅与直斜栅线光栅的垂直栅线区形成垂直莫尔条纹，垂直栅线光栅与直斜栅线光栅的斜栅线区形成水平莫尔条纹；两个光栅左右相对运动一个光栅栅距，垂直莫尔条纹左右滚动一个垂直莫尔条纹宽度，水平莫尔条纹上下滚动一个水平莫尔条纹宽度。通过二维光敏二极管阵列进行光电探测，水平和垂直莫尔条纹区的光敏二极管阵列分别接线各自的解码电路上，输出同频率的双通道IQ信号。本发明专利技术的优点是抗干扰能力十分优异，另外光敏二极管输出信号经过放大和累加，输出标准的正交信号，电路成熟，本发明专利技术的技术复杂度未增加。的技术复杂度未增加。的技术复杂度未增加。

【技术实现步骤摘要】
一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺


[0001]本专利技术涉及自动化装备的几何量测量
，具体涉及一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺。

技术介绍

[0002]光栅尺作为位移、速度和加速度测量器件是高精度高速数控机床、电子邦定机和半导体晶圆生产设备上的标准配置器件之一，在高精度、高速自动化数控反馈闭环系统有广泛应用。国内厂家光栅尺的结构由两个一维光栅以小角度重叠，形成视觉上近乎平行，黑白相间的一维莫尔条纹。一个莫尔条纹周期内安装有四个光电探测器进行检测，利用直流运放电路，进行简单的加减和放大计算，最后形成两路标准的正交IQ信号输出。正交IQ信号是工业控制位置信息输入标准接口，与各种运动控制卡兼容。
[0003]在理想情况下，一维莫尔条纹光栅尺位置测量准确，可以作为高速、高精度控制装备位置反馈元件使用。但是在非理想情况下，就是有外界干扰、污染和光电信号不均匀等情况下，就会产生失真和位移误差，使自动化装备可靠性大幅下降，极端情况下自动控制系统失稳，导致机毁人亡事故。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，主要用于解决现有光栅尺存在的在非理想情况下容易产生失真和位移误差等问题。
[0005]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，包括直栅线光栅以及直斜栅线光栅，其中，直栅线光栅的栅线栅距为Wm；直斜栅线光栅由垂直栅线栅和斜栅线栅交错排布构成，其中垂直栅线栅距为Wdz，长度为L；斜栅线栅距为Wdx，长度为L，与垂直方向夹角为θ；在垂直方向，垂直栅线栅和斜栅线栅重复多次排布；直栅线光栅和直斜栅线光栅中，当一个为主光栅时，另外一个作为指示光栅；主光栅和指示光栅有间隙地上下平行布置，二者轴线之间夹角为0
°
；主光栅固定不动，指示光栅左右移动的过程中，直栅线光栅与直斜栅线光栅的垂直栅线区形成垂直莫尔条纹，直栅线光栅与直斜栅线光栅的的斜栅线区形成水平莫尔条纹；
[0007]设cs＝Wdx/Wm，且Wm>Wdx，如果cos(θ)＝cs，此时水平莫尔条纹与水平轴夹角为0
°
，其莫尔条纹宽度Ms：
[0008][0009]设cz＝Wdz/Wm，且Wm>Wdz，其垂直莫尔条纹与水平方向夹角90
°
，其莫尔条纹宽度Mc：
[0010][0011]指示光栅相对主光栅左右运动一个光栅栅距，水平莫尔条纹上下滚动一个水平莫尔条纹宽度，垂直莫尔条纹左右滚动一个垂直莫尔条纹宽度。
[0012]进一步地，所述空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺的光电探测由光敏二极管阵列完成；在水平和垂直方向光敏二极管阵列的间距分别为：
[0013]W
PDS
＝Ms/N
[0014]W
PDC
＝Mc/N
[0015]不论是水平还是垂直莫尔条纹，一个莫尔条纹周期内光敏二极管数目都为N。
[0016]进一步地，水平和垂直莫尔条纹的解码依靠光敏二极管阵列的模拟放大运算方法；平和垂直莫尔条纹区的光敏二极管阵列分别接线各自的解码电路上，互不干扰，垂直与水平莫尔条纹的解码电路原理相同，在一维相移方向采用IQ解码，在另一个方向使用平均电路。
[0017]进一步地，在一维相移方向，光敏二极管相邻π/2莫尔条纹相位，编号j＝0,1,2,
…
,7,共计J＝7个，跨越2条完整得莫尔条纹；每个光敏二极管信号g(j)有两个独立的输出通道s，c，放大倍数s(j)和c(j)：
[0018]s(j)＝Im[w(j)e
‑
iΦ(j)
]；
[0019]c(j)＝Re[w(j)e
‑
iΦ(j)
].
[0020]其中，e为自然对数底数，i为虚数单位，Φ(j)和w(j)下表1给出。
[0021]7场j＝0j＝1j＝2j＝3j＝4j＝5j＝6Φ(j)
‑
3π/2
‑
π
‑
π/20π/2π3π/2w(j)0.14644660.50.85355331.00.85355330.50.1464466
[0022]之后分别送入两路加法器电路，输出2路频率相同，相位相差90
°
的正交信号I和Q：
[0023][0024][0025]进一步地，水平莫尔条纹的光敏二极管阵列中，在垂直方向是相移解调方向，共计分布2个莫尔条纹，中间被垂直条纹区隔开，光敏二极管编号可视为连续；在水平方向是对输出的信号I和Q分别平均计算，共计7路；最后输出正交信号(Is,Qs)。
[0026]进一步地，垂直莫尔条纹光敏二极管阵列中，水平方向是相移解调方向，共计分布2个连续的莫尔条纹，光敏二极管编号j＝0,1,
…
,7；在垂直方向是对输出的信号I和Q平均计算，共计7路；最后输出正交信号(Ic,Qc)。
[0027]进一步地，光栅尺输出两路同频率的IQ信号，IQ信号分别送入运动控制卡进行解调，解调过程是通过加减计数器记录走过的周期数目，之后通过
‑
atan(I/Q)计算一个周期内角度；指示光栅左右相对运动的位移＝指示光栅栅距*(周期数目+
‑
atan(I/Q)/2π)
‑
零点。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术特点：
[0029]1.抗LED照明不均引起的IQ正交信号幅值和相位变化误差；
[0030]2.抗光栅表面污染引起的IQ正交信号幅值和相位变化误差；
[0031]LED照明不均和光栅表面污染引起光敏探测器输出不均的低频误差。由于本专利技术信号跨越2x2个莫尔条纹周期，范围加大，相当于将光敏探测器输出不均的空间低频倍频；同时使用了98个光敏二极管和平均电路，相当于高阶低通滤波器，低通效果更佳；因此抗光敏探测器输出不均误差能力改进很多。
[0032]3.抗光敏二极管分布位置误差引起的IQ正交信号幅值和相位变化误差；
[0033]4.抗光栅位置和角度安装误差引起的莫尔条纹间距变化误差；
[0034]由于本专利技术设计使用w(j)放大系数分布，实际是使用了Hanning窗口函数，有2个优点：1)在解调主频区宽度增加1倍，抗莫尔条纹间距变化引起解调频率变化；2)4场扫描光栅信号采样矩形窗函数系数，缺点是频谱泄露大，第一、二傍峰值分别为主峰的21％，12.6％，且衰减较慢。采用Hanning窗傍峰衰减为18dB/otc，较大，因此频谱精度大为提高。Hanning窗口函数抗光敏二极管分布位置误差引起的频谱交叉污染。
[0035]5.抗低频振动引起的IQ正交信号幅值和相位变化误差；1)由于本专利技术的光栅尺信号是先相移解调，即解调频率处的带通滤波；下一个是平均，即低通滤波；同时使用Hanning窗口防频谱泄露；2)水平和垂直2个方向解调，分别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，其特征在于，包括直栅线光栅以及直斜栅线光栅，其中，直栅线光栅的栅线栅距为Wm；直斜栅线光栅由垂直栅线栅和斜栅线栅交错排布构成，其中垂直栅线栅距为Wdz，长度为L；斜栅线栅距为Wdx，长度为L，与垂直方向夹角为θ；在垂直方向，垂直栅线栅和斜栅线栅重复多次排布；直栅线光栅和直斜栅线光栅中，当一个为主光栅时，另外一个作为指示光栅；主光栅和指示光栅有间隙地上下平行布置，二者轴线之间夹角为0
°
；主光栅固定不动，指示光栅左右移动的过程中，直栅线光栅与直斜栅线光栅的垂直栅线区形成垂直莫尔条纹，直栅线光栅与直斜栅线光栅的的斜栅线区形成水平莫尔条纹；设cs＝Wdx/Wm，且Wm>Wdx，如果cos(θ)＝cs，此时水平莫尔条纹与水平轴夹角为0
°
，其莫尔条纹宽度Ms：设cz＝Wdz/Wm，且Wm>Wdz，其垂直莫尔条纹与水平方向夹角90
°
，其莫尔条纹宽度Mc：指示光栅相对主光栅左右运动一个光栅栅距，水平莫尔条纹上下滚动一个水平莫尔条纹宽度，垂直莫尔条纹左右滚动一个垂直莫尔条纹宽度。2.根据权利要求1所述的空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，其特征在于，所述空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺的光电探测由光敏二极管阵列完成；在水平和垂直方向光敏二极管阵列的间距分别为：W
PDS
＝Ms/NW
PDC
＝Mc/N不论是水平还是垂直莫尔条纹，一个莫尔条纹周期内光敏二极管数目都为N。3.根据权利要求1所述的空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，其特征在于，水平和垂直莫尔条纹的解码依靠光敏二极管阵列的模拟放大运算方法；平和垂直莫尔条纹区的光敏二极管阵列分别接线各自的解码电路上，互不干扰，垂直与水平莫尔条纹的解码电路原理相同，在一维相移方向采用IQ解码，在另一个方向使用平均电路。4.根据权利要求1所述的空间复用的二维莫尔条纹直线光栅尺，其特征在于，在一维相移方向，光敏二极管相邻π/2莫尔条纹相位，编号j＝0...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伶姝，
申请(专利权)人：周伶姝，
类型：发明
国别省市：