[发明专利]光栅莫尔条纹细分方法

说明书

本发明公开了一种光栅莫尔条纹细分方法，包括以下步骤：a．信号的预线性化：对原始的正、余弦莫尔条纹信号进行预线性化处理，将高度非线性的正、余弦信号转换为近似三角波信号，b．实时补偿信号的构造：对近似三角波信号进行补偿，得到信号幅值与光栅位移呈线性关系的三角波信号；c．辨向、细分及位移计算。通过上述方式，本发明光栅莫尔条纹细分方法，能够实现对光栅位移的线性计算和高倍细分，并使细分算法对原始信号缺陷不敏感，减小细分误差。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是涉及一种光栅莫尔条纹细分方法。

背景技术

近年来光栅位移传感器在位移监测中得到了广泛的应用，成为了以莫尔条纹为理论的测量技术的最典型代表。光栅位移传感器必须包含一对光栅副，其中一块光栅尺作测量基准用，该尺称为标尺光栅（或称主光栅），另一块光栅尺则称为指示光栅。当两块光栅面对面叠合，就会产生莫尔条纹，当两光栅沿垂直于栅线方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向相同的方向相应地移动。利用光电元件将变化的光强转化为变化的电信号，并经过电子元器件的滤波整形和运算处理，便可以得到相应的位移值。一般情况下，为了实现辨向和进一步的细分，必须把经过光电元件转换的莫尔条纹信号，处理成两路相位差约为90°的正弦电压信号。

目前，国内外长光栅栅距大多为 4μm以上，在实际应用中，仅依靠光栅栅距本身的分辨率，通常不能达到精密测量的要求。也就是说，必须采用莫尔条纹的细分技术来提高光栅测量系统的分辨率。

然而，传统细分方法如反正切细分方法，由于正切函数的非线性，通常需要制作查找表来对信号进行细分。在高倍细分情况下，制作查找表耗时耗力，且占用处理系统内存。而且，实际信号中往往不是理想信号，非理想信号会带来非线性细分误差，非线性误差通常是很难进行补偿的，传统的反正切细分法等对非理想信号都十分敏感。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种光栅莫尔条纹细分方法，能够实现对光栅位移的线性计算和高倍细分，并使细分算法对原始信号缺陷不敏感，减小细分误差。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光栅莫尔条纹细分方法，包括以下步骤：

a．信号的预线性化：对原始的正、余弦莫尔条纹信号进行预线性化处理，将高度非线性的正、余弦信号转换为近似三角波信号，光栅位移传感器将莫尔条纹信号转换为到两路相位差为90°的正弦电压信号和，对正弦信号进行线性化处理，得到近似三角波信号：；

b．实时补偿信号的构造：对近似三角波信号进行补偿，得到信号幅值与光栅位移呈线性关系的三角波信号，利用原始正弦电压信号VS(x) 和VC(x)构建实时补偿信号：，对进行补偿后，得到信号幅值与光栅位移呈线性关系的三角波信号：

；

c．辨向、细分及位移计算：引入辅助控制信号Bit(x)：

，其中：，i=S，C分别代表原始正、余弦莫尔条纹信号，辅助控制信号将三角波信号转换为带有辨向信息的输出信号：，为锯齿波信号，通过对下降沿、上升沿的计数，可得大周期计数，对于小周期计数，则用以下公式计算：，最终可得位移为：，其中， 为正向计数脉冲个数，为反向计数脉冲个数。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤a中正弦电压信号和，在理想情况下可以表示为：，，在实际信号中通常有各种失真，可以用以下数学形式表示：，，p 代表莫尔条纹信号周期，幅值A代表理想信号的幅值，ΔA、 ΔB、ΔΦ分别代表信号幅值、直流分量、相位相对理想值的偏移量，β代表正余弦信号的幅值波动，ΔT代表三次谐波的系数。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤c中对于构造的三角波信号，其与理想三角波Trig(x)的偏差：，其中，由偏差引起的位移计算误差定义为该细分方法的理论误差：，为计算的位移，x 为实际位移。