本發(fā)明涉及精密位移測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光柵位移測(cè)量傳感器根據(jù)莫爾條紋原理實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，在測(cè)量范圍、測(cè)量精度、響應(yīng)速度等方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在加工機(jī)床、測(cè)量?jī)x器、半導(dǎo)體加工設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光柵傳感器以光柵周期為基本測(cè)量單位進(jìn)行位移測(cè)量，隨著光刻技術(shù)的進(jìn)步，光柵的周期愈來(lái)愈小，從而為實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量提供更為精密的標(biāo)尺。隨著光柵刻劃密度的增加，光柵信號(hào)的讀取更易受到對(duì)準(zhǔn)、振動(dòng)等因素的干擾，從而在光柵光電讀取信號(hào)中產(chǎn)生測(cè)量誤差。光柵讀取的測(cè)量正交信號(hào)的主要誤差因素包括直流漂移、幅值波動(dòng)、相位差等。相位誤差通常是主光柵和讀數(shù)頭對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，可通過(guò)后繼信號(hào)處理進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償。光源功率輸出不穩(wěn)定、光電探測(cè)器及驅(qū)動(dòng)電路零漂都是造成直流漂移的因素，在實(shí)際讀取中雖然可以利用差動(dòng)放大技術(shù)降低直流漂移影響，但光電探測(cè)器的差異等因素并不能有效去除直流分量。幅值波動(dòng)的影響因素有：光柵面光學(xué)特性的不均勻以及實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量速度變化。測(cè)量信號(hào)讀取時(shí)，由于低通濾波降噪以及光電轉(zhuǎn)換器件的固有特性，當(dāng)測(cè)量速度較大時(shí)測(cè)量信號(hào)的幅值下降，在應(yīng)用過(guò)程中，雖然可以采用數(shù)字信號(hào)處理手段實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)幅，但這些方法都是從幅值的變化規(guī)律中去預(yù)測(cè)下一時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)幅值修正值，實(shí)時(shí)性較差，從而實(shí)際應(yīng)用中限制了測(cè)量速度。

在高精度測(cè)試需求場(chǎng)合，莫爾條紋正交信號(hào)檢測(cè)的光柵傳感方法難以去除直流漂移和幅值波動(dòng)的干擾，阻礙了光柵測(cè)量傳感器精度的進(jìn)一步提高。主要問(wèn)題有兩個(gè)方面：在測(cè)量啟動(dòng)和測(cè)量停止前后時(shí)刻，當(dāng)位移速度接近零時(shí)，測(cè)量信號(hào)頻率與低頻干擾信號(hào)頻率相近，在光柵信號(hào)處理電路中難以進(jìn)行測(cè)量信號(hào)和干擾信號(hào)的分離，從而給測(cè)量帶來(lái)較大誤差；當(dāng)測(cè)量速度較大時(shí)，光電檢測(cè)獲得正交測(cè)量信號(hào)幅值明顯下降，從而在對(duì)信號(hào)的細(xì)分中會(huì)產(chǎn)生較大誤差甚至無(wú)法細(xì)分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對(duì)莫爾條紋的光柵測(cè)量原理在高精度測(cè)量領(lǐng)域的缺陷，提出一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括光柵傳感光路單元、信號(hào)處理單元，其中：

光柵傳感光路單元包括準(zhǔn)直光源、MEMS振鏡、相對(duì)移動(dòng)的主光柵和指示光柵，準(zhǔn)直光源出射的準(zhǔn)直光束入射至MEMS振鏡，所述MEMS振鏡以固定角速度掃描轉(zhuǎn)動(dòng)，在掃描轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中將準(zhǔn)直光束反射至主光柵，由相對(duì)移動(dòng)的主光柵與指示光柵使準(zhǔn)直光束形成莫爾條紋光信號(hào)，該莫爾條紋光信號(hào)同時(shí)包含MEMS振鏡掃描轉(zhuǎn)動(dòng)信息，以及主光柵和指示光柵的相對(duì)位移信息；

信號(hào)處理單元包括光電轉(zhuǎn)換單元、鎖相環(huán)，所述光電轉(zhuǎn)換單元接收莫爾條紋并將莫爾條紋光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)為相位調(diào)制信號(hào)，即指示光柵和主光柵相對(duì)位移產(chǎn)生對(duì)應(yīng)位移的相位信號(hào)經(jīng)MEMS振鏡掃描產(chǎn)生的周期振幅信號(hào)的調(diào)制，所述鎖相環(huán)接收相位調(diào)制信號(hào)，由鎖相環(huán)在MEMS振鏡的諧振掃描頻率上對(duì)相位調(diào)制信號(hào)解調(diào)即可獲得位移測(cè)量信號(hào)。

所述的一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：指示光柵和主光柵相對(duì)靜止時(shí)，準(zhǔn)直光束入射至MEMS振鏡，MEMS振鏡以固定角速度掃描轉(zhuǎn)動(dòng)，將準(zhǔn)直光束反射到主光柵，主光柵與指示光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)形成的莫爾條紋光信號(hào)按與MEMS振鏡相同的角速度擺動(dòng)，該莫爾條紋光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后得到電信號(hào)，該電信號(hào)是與MEMS振鏡相同掃描頻率的周期信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換單元接收莫爾條紋光信號(hào)的位置不同電信號(hào)的幅值不同。

所述的一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述光電轉(zhuǎn)換單元包括光電轉(zhuǎn)換電路和前置放大電路，光電轉(zhuǎn)換電路由一個(gè)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的檢測(cè)，由光電轉(zhuǎn)換電路將莫爾條紋光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由前置放大電路放大后輸出。

所述的一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述信號(hào)處理單元采用單路信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)指示光柵相對(duì)主光柵的相對(duì)位移的細(xì)分與辨向，信號(hào)處理單元采用鎖相環(huán)對(duì)單路信號(hào)進(jìn)行位移信號(hào)的解調(diào)，基于鎖相環(huán)，在特定諧波頻譜處對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，把測(cè)量信號(hào)遷移出低頻帶，克服了直流漂移等低頻干擾的影響，避免了傳統(tǒng)光柵傳感器兩路或者四路信號(hào)帶來(lái)的正交誤差，降低直流漂移和幅值波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量系統(tǒng)在低速和高速位移測(cè)量時(shí)的測(cè)量精度。

本發(fā)明基于傳統(tǒng)光柵傳感結(jié)構(gòu)，在光路中采用MEMS振鏡結(jié)構(gòu)對(duì)指示光柵相對(duì)主光柵的相對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，采用包含單個(gè)光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換單元即可實(shí)現(xiàn)位移的精密測(cè)量。本發(fā)明既保留了傳統(tǒng)光柵傳感器指示光柵和主光柵產(chǎn)生莫爾條紋的結(jié)構(gòu)，引入MEMS振鏡對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，采用的鎖相環(huán)對(duì)相位進(jìn)行解調(diào)，單路調(diào)制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)高倍細(xì)分與辨向，簡(jiǎn)化了光電檢測(cè)器的個(gè)數(shù)，避免了傳統(tǒng)光柵傳感器兩路或者四路信號(hào)帶來(lái)的正交誤差，降低直流漂移和幅值波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量系統(tǒng)在低速和高速位移測(cè)量時(shí)的測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1是基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)框圖。

圖2是鎖相環(huán)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示為基于相位調(diào)制的光柵傳感器位移測(cè)量系統(tǒng)框圖，包括光柵傳感光路單元、信號(hào)處理單元。光柵傳感光路單元包括由LED光源1和準(zhǔn)直鏡2構(gòu)成的準(zhǔn)直光源、MEMS振鏡3、主光柵4和指示光柵5，信號(hào)處理單元包括光電轉(zhuǎn)換單元6、鎖相環(huán)7。

本發(fā)明在光柵傳感光路單元中，LED光源1光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后入射到MEMS振鏡3，MEMS振鏡3以固定角速度掃描轉(zhuǎn)動(dòng)，將準(zhǔn)直光束反射到主光柵4上，指示光柵5和主光柵4相對(duì)位移時(shí)，主光柵4與指示光柵5形成的莫爾條紋同時(shí)包含MEMS振鏡3掃描轉(zhuǎn)動(dòng)與相對(duì)位移的信息，該信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后形成的電信號(hào)為相位調(diào)制信號(hào)，即指示光柵5和主光柵4相對(duì)位移產(chǎn)生對(duì)應(yīng)位移的相位信號(hào)經(jīng)MEMS振鏡3掃描產(chǎn)生的周期振幅信號(hào)的調(diào)制，該相位調(diào)制信號(hào)通過(guò)鎖相環(huán)解調(diào)即可獲得位移測(cè)量信號(hào)。相位調(diào)制把位移測(cè)量正弦信號(hào)調(diào)制為相位信號(hào)，通過(guò)鎖相環(huán)在特定諧波頻譜處對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，把測(cè)量信號(hào)遷移出低頻帶，克服了直流漂移等低頻變化的影響，同時(shí)在信號(hào)處理中亦可有效降低高頻帶噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)較高精度的位移測(cè)量信號(hào)解調(diào)。

LED光源1發(fā)出光束通過(guò)準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后經(jīng)過(guò)MEMS振鏡3反射后入射至主光柵4，主光柵4與指示光柵5相對(duì)移動(dòng)形成莫爾條紋。MEMS振鏡的掃描振動(dòng)方程為：I＝msinwt。

光電探測(cè)器處檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)為相位調(diào)制型余弦信號(hào)，信號(hào)如式(1)：

I(t)＝A+Bcos(kx+kmsinwt)(1)

其中，A表示信號(hào)的直流分量，B表示信號(hào)交流分量的幅值。表示由主光柵與指示光柵相對(duì)位移產(chǎn)生的莫爾條紋信號(hào)相位變化周期，d表示光柵常數(shù)，msinwt表示MEMS振鏡的振動(dòng)對(duì)信號(hào)相位變化的周期性影響，其中m代表振鏡振動(dòng)相位影響的幅值，w為MEMS振鏡的掃描振動(dòng)角頻率。信號(hào)處理的過(guò)程即從式(1)所示信號(hào)中解調(diào)相位kx的過(guò)程。

本發(fā)明運(yùn)用的是鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行相位解調(diào)，如圖2所示為鎖相環(huán)示意圖，鎖相環(huán)是由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三個(gè)環(huán)路部件組成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。在鎖相環(huán)路中，鑒相器的作用是比較輸入信號(hào)I(t)cos0.5wt與壓控振蕩器的輸出信號(hào)sin(2.5wt+θ)之間的相位，將此相位差轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出；低通濾波器的作用是濾除電壓信號(hào)中的高頻成分和噪聲后轉(zhuǎn)換成壓控振蕩器的控制電壓，然后將其加到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)I(t)cos0.5wt的頻率靠近，直至最后頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定輸出電壓信號(hào)，壓控振蕩器的作用是產(chǎn)生振蕩頻率，此振蕩頻率受到了壓控振蕩器輸出電壓信號(hào)的控制產(chǎn)生頻率偏移，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)頻率的跟蹤。運(yùn)用鎖相環(huán)技術(shù)解調(diào)相位相對(duì)于傳統(tǒng)方法中依靠幅值確定實(shí)現(xiàn)相位細(xì)分更加準(zhǔn)確，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間也更為快速。

由上述可知，光電探測(cè)器處檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)為相位調(diào)制型余弦信號(hào)如式：

I(t)＝A+Bcos(kx+kmsinwt) (1)

對(duì)(1)式展開(kāi)，得：

式(2)中，J_n(km)為第一類貝賽爾函數(shù)。由式(2)可知，經(jīng)相位調(diào)制，位移信息被調(diào)制到調(diào)制頻率各次諧波的幅值上，從而將有用信號(hào)頻帶移出低頻區(qū)，克服低頻擾動(dòng)的影響。在實(shí)際處理中將所得莫爾條紋信號(hào)和調(diào)制頻率的0.5倍頻參考信號(hào)相乘，得：

式(3)中：

其中：p(i)＝[0,2,2,4,4,6,6…]，q(i)＝[1,1,3,3,5,5,7…]是相應(yīng)于i的有序數(shù)列，通過(guò)選擇合適的調(diào)制振幅m，滿足：

J₂(km)＝J₃(km) (4)

則式(3)可表示為：

由式(5)可以看出，位移信息kx被轉(zhuǎn)化到調(diào)制頻率2.5倍頻諧波分量BJ₂(km)cos(2.5wt+kx)的相位上。將式(5)所示的信號(hào)送入鎖相環(huán)中，利用鎖相環(huán)對(duì)BJ₂(km)cos(2.5wt+kx)的相位進(jìn)行追蹤，即可求得位移變化。該測(cè)量信號(hào)處理方法改變了傳統(tǒng)正交信號(hào)細(xì)分方法，采用一路信號(hào)即可進(jìn)行信號(hào)的細(xì)分與辨向，消除了正交辨向誤差與不同路信號(hào)差異引入的誤差，通過(guò)鎖相環(huán)高頻相位調(diào)制實(shí)時(shí)跟蹤進(jìn)而求出位移值，克服了低頻中直流漂移等因素的影響。相位測(cè)量相比于幅值測(cè)量的方法更為精確，使得本系統(tǒng)能夠達(dá)到很高的精度和分辨率。

以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。