[发明专利]具有相位调节电路的位置测量装置和相位调节方法

说明书

本发明涉及用电子方法测量位移的装置，如线性和旋转编码器和分解器。为了产生对应于探针位移的电信号，座标测量机构通常采用由一系列线性紧密相间的光栅线条构成的主光栅，加上一个横向移动并带有与主光栅成微小倾角的小透明光栅的读出头。光栅之间的光学干涉生成一种横向移动的亮区和暗区图形，被称之为莫伊尔（Moire）条纹，这种图形通过安装在读出头中的光探测器阵列加以探测。

由于读出头可以双向移动，也由于每一周期过程中模拟信号值本身重复出现，因此内插信号值呈现固有的模糊不清。

为了解决这一模糊不清的问题，采用了精细化处理方法，通过这种处理，产生一个与第一信号振幅相等、相位相差90°的第二信号。因此得到了一对正交信号。将这两个正交信号加以组合，就能给出唯一的信号信息，该信号与读出头在光栅标尺线之间空格内的位置线性相关。这就是说，两个正交信号的组合，给出了一个线性函数，利用这一线性函数，可以不模糊地确定读出头在光栅线之间哪一点。

于是，随着图形横向对着探测器移动，读出头产生了一对周期变量，即两个相位相差为90°的电输出信号。图形移动与读出头在主光栅之间横向穿过每一间隔精确保持一致。因此，这些电输出包含着对应于读出头通过光栅线的位移的模拟信号。

模拟信号是正弦信号，每一周期的完结对应于读出头横穿两条光栅线之间整过间隔。因此，每一全周期的运行计数指示了读出头沿主光栅的总位移。

另一种构成光学光栅/读出头系统的手段是采用同样广为熟知的菲涅尔（Vernier）条纹光学方法来代替上述的莫伊尔条纹法，本发明对菲涅尔条纹法同样适用。

为了获得比光栅线条间距更为精细的分辨率，设计了用于进一步细分这些模拟信号的内插电路，这种电路在1980年9月30日公布的美国专利4，225，931用于“数字电子位置测量仪的内插装置”中已作了描述。

为了获得合适的结果，两正交信号之间的相位角差必须精确地设置为90°。这在过去是通过手工细心调节读出头光栅和主光栅之间的倾角以改变莫伊尔条纹图形来实现的。这种调节过程既费时间又不方便，因为它需要将装置的外壳打开，在通过示波器观察光探测器输出的李瑟如（Lissajous）图形的同时，对读出头位置作繁琐的机械调节。

1984年7月24日公布的美国专利4，462，083“内插方法”和1985年1月1日公布的美国专利4，490，914“位置测量仪器的误差校正系统”两者都对位置测量装置中校正正弦信号之间相位角差的系统作了描述。在美国专利4，462，083中，校正值由测量决定，并存储在数字计算机中供作内插值计算时使用。这种方法需要附加的电子元件和步骤，并使计算机运算更分复杂。

美国专利4，490，914描述的方法需要一个与光栅并行的独立的磁道和对每一模拟信号产生并记录其校正信号的位置。随后的相位角变化的调节必然是困难的。

本发明包括位置测量装置中的一种简单电路和调节两正交信号之间相位关系的方法。该电路设计得能够将0°的模拟信号代数相加至其相反的比例大小可调节的信号上，从而能产生一个由具有选定的正、负号和缩小比例的0°信号构成的校正信号。这一校正信号可以用下述方法产生，即将0°信号馈入一电位器的一端，而将0°模拟信号的相反信号或与其有180°相差的信号馈入电位器的另一端，而其代数和从电位器的滑动触点给出。

因此，一个具有正或负标志的无级可调选择的按比例缩小的0°模拟信号可以从0°模拟信号中产生。

当这一校正信号矢量相加至标称90°模拟信号上时，便会使90°模拟信号沿某一方向产生相位漂移，漂移的方向取决于校正信号的正负，漂移的程度取决于校正信号的幅值。校正信号的正负和幅值通过调节电位器滑动触点有选择地设定。由于校正信号的正负和幅值可以通过移动电位器滑动触点加以调节，因此，90°模拟信号的相位可以适当地改变，以保证与0°模拟信号具有良好的90°相位关系。利用外加缓冲/倒相器来使A（0°）信号倒相，就可以产生一个直流平衡的校正信号。这一外加倒相器具有一种附加特征，它能消除相位调节电位器对B（90°）信号补偿调节电位计分压器产生的交叉耦合。

通过在示波器上对0°和90°模拟信号李瑟如图形的观测，能够方便地测出通过适当调节电位器滑动触点而得到的合适的相位关系。

这一过程的优点在于，比起机械地调节读出头倾角来花费的时间要少得多，并且不需要真正的附加电路或计算机计算。可以在例行维修时方便地完成。

图1是一个座标测量装置的透示图，同时也示出相关的电子零部件。

图2是依据本发明的相位校正电路的方块图。