输出正交正弦波的光栅尺在位移测量中的脉冲细分原理

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1、输出正交正弦波的光栅尺在位移测量中的脉冲细分原理金建新!李士勇，等!模糊控制和智能控制理论与应用!哈尔滨：哈尔滨工业出版社，"##$收稿日期：!$$$($)(!$。%陈伯时!自动控制系统!北京：机械工业出版社，"#&"作者周一军，男，"#)*年生，"##$年毕业于上海工业大学，工程师；主’王永初!最佳控制系统设计基础!北京：科学出版社，"#&$要从事控制系统的设计与开发工作。输出正交正弦波的光栅尺在位移测量中的脉冲细分原理!"#$%&’(&)*#+,$-*.#/&’#0&1&.&+’&’2#3.-%

2、#4#’5+,0&.)*3(#4#’5678.&’9:%35&’9;(3*#<&5"=&9"5(>’9*#?;&’#@31#A-5)-5金建新（华中理工大学机械学院，武汉’%$$*’）摘要讨论了输出正交正弦波的光栅尺（又称光栅线位移传感器）在位移测量中的脉冲细分原理。基于该原理，可将光栅尺位移测量分辨率提高"+%个数量级。还介绍了单片机光栅尺位移测量系统，该系统具有自动消除累积误差、计数长度无限制的特点。关键词位移测量光栅尺正弦波脉冲细分!"#$%&’$,-./01231/4.56/748.612.

3、91:1815212;.<870.;.2=56918/4<3.;.2=>?7812@@0<=12@83<4.（853<44.9A0<=12@412.918/4<3.;.2==0<28973.0）B1=-01@-=(<2@4.9812.B<:.189183788.9CD<8.952=-18/01231/4.=-.0.8547=15256@0<=12@83<4.6504<0@.918/4<3.;.2=3<2>..2-<23.9"+%/5B.0C,-.812@4.3-1/35;/7=.0><8.9@0<=

4、12@83<4.918/4<3.;.2=;.<87012@8?8=.;18<48512=05973.9C,-.8?8=.;6.<=70.8.41;12<=12@<337;74<=.9.0050<7=5;<=1E3<44?<297241;1=.93572=12@4.2@=-C()*+,%-#F18/4<3.;.2=;.<870.;.2=A0<=12@83<4.G12.B<:.H748.612391:18152路正弦信号。这些信号的空间位置周期为!。目前，.引言对前者的处理技术比较成熟，其最高分辨率为"

5、K!"商品化的增量式光栅线位移传感器又称光栅尺，’；而对于后者的处理技术则相对较为复杂，大多数情是高精度线位移测量元件，它与数字信号处理仪表配况下其最高分辨率为。"K!"’套，组成线位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等本文探讨了一种处理光栅尺输出正弦波的方法，［"］自动化制造设备中。在理论上能够将光栅尺的分辨率提高几个数量级。以中国科学院长春光学机械研究所生产的GAI［!］/提高分辨率的原理系列光栅尺为例，标志光栅尺性能高低的一个主要参数是栅距，本文以!表示，其单位为;;。一般!越光栅尺输出的’路

6、正弦信号在位移坐标轴#上小，意味着光栅尺的测量分辨率越高。在现代数控机的波形如图"所示：床系统中，其加工精度依靠测量反馈元件的分辨率来图"中’路正弦信号可统一在位移#坐标轴上表保证，因此，为提高数控机床的水平，对测量元件反馈示为如下数学表达式：元件的分辨率要求越来越高。但由于制造光栅尺工艺$"%&81（2!#’"!）ü的限制，栅距越小意味着光栅尺成本越高、价格越贵。ï$!%&81（2!#’"!(#"!）ï基于上述原因，人们试图从另外一个角度寻找提ý（"）$%%&81（2!#’"!(#）ï高光栅尺分辨

7、率的方法：这就是利用计算机信号处理ï$’%&81（2!#’"!(%#"!）þ的先进手段，对光栅尺的输出信号进行细分处理，以达令$&K$"($%；$)K$!($’，则下式成立：到提高分辨率的目的。光栅尺的输出信号一般有两种形式：一是相位角$&%!&81（2!#’"!）}）（!）相差#$J的!路方波信号；二是相位依次相差#$J的’$)%!&35（8!#’"!万方数据"*《自动化仪表》第!"卷第#期!$$!年#月!测量系统的实现处理光栅尺输出"路正弦信号、并记录下(的实际数值，是整个光栅尺测量系统的任务，

8、具体表现为实现式（#）、式（*）和式（,）的实时运算和对!(,的累加，即.()"!(,（/）,)!光栅尺位移测量系统如图#所示。图!"路正弦信号波形图在式（#）的基础上，将!"和!#分别乘以周期为$$图#光栅尺位移测量系统（或频率为%$%!&$$）、幅值为#，且互为正交的正弦信号，即!!%#&’（(#!%’)!&#）和!!%#&’（(#!%’），并图#所示光栅尺位移测量系统由单片机、模拟乘"$#$将结果相加得：法器、模拟加法器以及简单与非门等元件组成。单片!（’，(）