本發(fā)明涉及光電測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)光柵位移傳感器在位移監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，成為了以莫爾條紋為理論的測(cè)量技術(shù)的最典型代表。光柵位移傳感器必須包含一對(duì)光柵副，其中一塊光柵尺作測(cè)量基準(zhǔn)用，該尺稱(chēng)為標(biāo)尺光柵（或稱(chēng)主光柵），另一塊光柵尺則稱(chēng)為指示光柵。當(dāng)兩塊光柵面對(duì)面疊合，就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋便沿著與柵線方向相同的方向相應(yīng)地移動(dòng)。利用光電元件將變化的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為變化的電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電子元器件的濾波整形和運(yùn)算處理，便可以得到相應(yīng)的位移值。一般情況下，為了實(shí)現(xiàn)辨向和進(jìn)一步的細(xì)分，必須把經(jīng)過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換的莫爾條紋信號(hào)，處理成兩路相位差約為90°的正弦電壓信號(hào)。

目前，國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)光柵柵距大多為4μm以上，在實(shí)際應(yīng)用中，僅依靠光柵柵距本身的分辨率，通常不能達(dá)到精密測(cè)量的要求。也就是說(shuō)，必須采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)來(lái)提高光柵測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。

然而，若直接對(duì)原始的兩路正弦信號(hào)進(jìn)行采樣細(xì)分，則會(huì)存在以下問(wèn)題，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣比較時(shí)，由于正、余弦信號(hào)的線性度不好，在一個(gè)周期內(nèi)，相同位移差所對(duì)應(yīng)的電壓幅值差不同，特別是當(dāng)電壓幅值接近峰值時(shí)，光柵尺需要移動(dòng)一個(gè)較大的位移才產(chǎn)生一個(gè)微小的電壓變化，故而必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。

常用的重構(gòu)算法主要是線性化重構(gòu)算法，包括反正切算法、正余弦絕對(duì)相減（近似三角波）、正余弦絕對(duì)后相除（正切的絕對(duì)值，近似三角波）以及8細(xì)分法（利用正余弦近似線性的部分重構(gòu)信號(hào)）。這些算法雖然都可以獲得線性重構(gòu)函數(shù)，但通常都對(duì)信號(hào)的幅值變化較為敏感且線性度有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，能夠使得信號(hào)重構(gòu)函數(shù)對(duì)原始信號(hào)的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實(shí)現(xiàn)位移計(jì)量。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，包括以下步驟：

a.信號(hào)預(yù)處理：對(duì)光柵莫爾條紋進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，通過(guò)濾波和運(yùn)算處理后獲取兩路信號(hào)差約為90°的正弦電壓信號(hào)和；

b.信號(hào)的線性化重構(gòu)：對(duì)步驟a中獲取的信號(hào)和進(jìn)行線性化重構(gòu)，構(gòu)造線性化函數(shù)，，并引入輔助函數(shù)，，最終經(jīng)重構(gòu)得到線性化函數(shù)，；

c.位移的計(jì)量：利用周期計(jì)數(shù)器記錄莫爾條紋變化的整周期個(gè)數(shù)n，對(duì)于柵距為的增量式光柵線位移傳感器，經(jīng)過(guò)其計(jì)量得到的位移值x為，其中。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述步驟a中電壓信號(hào)和，在理想狀況下表示為，在實(shí)際存在誤差得到情況下表示為，其中a代表信號(hào)的幅值，b代表信號(hào)的相位,c代表信號(hào)的直流分量。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述步驟b中的sgn函數(shù)，為符號(hào)函數(shù)，對(duì)于sgn函數(shù)，有

對(duì)于符號(hào)，表示一種“異或”運(yùn)算，即對(duì)于，若y和z的值相同，則計(jì)算結(jié)果是1，若y和z的值不同，則計(jì)算結(jié)果是0，對(duì)于線性化函數(shù)，其與真正理想線性三角波的偏差為該重構(gòu)算法的理論誤差，定義為，為理想三角波，有，最大理論誤差為。

在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述c中的，其單位為rad（弧度），對(duì)于d和x，其單位均為（微米）。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，能夠使得信號(hào)重構(gòu)函數(shù)對(duì)原始信號(hào)的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實(shí)現(xiàn)位移計(jì)量。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本發(fā)明光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法的工作原理流程示意圖；

圖2是本發(fā)明的信號(hào)波形圖；

圖3是圖2的李薩如圓圖；

圖4是本發(fā)明的光柵正向運(yùn)動(dòng)的波形圖；

圖5是本發(fā)明的光柵反向運(yùn)動(dòng)的波形圖。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，一種光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，包括以下步驟：

a.信號(hào)的預(yù)處理：將光柵尺輸出的的信號(hào)輸入信號(hào)預(yù)處理電路板進(jìn)行濾波，用數(shù)據(jù)采集卡pci-8757采集經(jīng)過(guò)預(yù)處理的兩路電壓信號(hào)。

b.信號(hào)的線性化重構(gòu)：如圖一，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡pci-8757和labview軟件，將采集到的電壓值實(shí)時(shí)輸入服務(wù)器得到兩路信號(hào)的電壓值序列和。調(diào)用編制好的labview程序，用如下方程實(shí)時(shí)重構(gòu)輸入的電壓值序列和，形成新的重構(gòu)函數(shù)：

重構(gòu)好的函數(shù)，如圖二所示。

c.位移的計(jì)量：利用labview軟件編程記錄莫爾條紋變化的整周期個(gè)數(shù)n，并用如下公式實(shí)時(shí)計(jì)量出位移值，

式中，，的單位是弧度（rad）。

進(jìn)一步地，當(dāng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡pci-8757采集到的兩路信號(hào)為：

時(shí)

對(duì)于本重構(gòu)算法的最大理論誤差，有

通過(guò)使用服務(wù)器和labview進(jìn)行調(diào)控，而實(shí)際中為了提高速度，還可以使用fpga及相關(guān)配套設(shè)備，所使用的增量式光柵線位移傳感器的柵距為20微米，還可以對(duì)具有更小或更大柵距的光柵進(jìn)行線性化重構(gòu)及計(jì)量，其它具體設(shè)備亦均可依據(jù)所需設(shè)定。

本發(fā)明光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，能夠使得信號(hào)重構(gòu)函數(shù)對(duì)原始信號(hào)的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實(shí)現(xiàn)位移計(jì)量。

區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明光柵莫爾條紋信號(hào)化重構(gòu)方法，能夠使得信號(hào)重構(gòu)函數(shù)對(duì)原始信號(hào)的幅值變化不敏感，且具有良好的線性度并最終實(shí)現(xiàn)位移計(jì)量。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。