[发明专利]基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于CMOS的光栅位移测量系统，包括标尺光栅、线阵CMOS图像传感器、数字信号处理系统，标尺光栅可相对于线阵CMOS图像传感器沿标尺光栅的长度方向往复移动，线阵CMOS图像传感器与数字信号处理系统连接，标尺光栅上刻有平行等距栅线，线阵CMOS图形传感器设置有形成线形感光区域的线形感光芯片阵列，线形感光芯片阵列的感光方向朝向所述栅线，所述线形感光芯片阵列的线形长度方向与所述栅线的长度方向存在夹角θ，以使同一时刻至少有两条栅线在所述线阵CMOS图像传感器的线形感光区域中成像。本发明还公开了一种采用上述测量系统进行测量的方法。本发明兼顾高速和高精度的测量要求，并且成本较低，适用于高速高精密的位移测量领域。

技术领域

本发明属于光栅尺测量的技术领域，具体涉及一种基于CMOS的光栅位移测量系统及其测量方法。

背景技术

光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，是闭环位置控制系统中常用的检测器件之一，尤其在精密加工制造领域。光栅尺测量的基本原理为:标尺与扫描掩模之间的相对移动,在光源照射下形成莫尔条纹,莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号,就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法,得到不同测量步距的计数脉冲信号,脉冲信号一般是两路正交的信号,这两路信号接入后续的可逆计数电路,计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。

目前市场上常见的光栅尺主要是采用“莫尔条纹”，配合电子细分等检测与数据处理模块来获取位移值。现存通用的光栅尺测量系统主要存在以下问题：为仅提高位移测试精度，往往需要采用更密集的栅格。而更密集的栅格导致单位位移数据采集的数据量加大，从而增大数据采集过程中出现“丢步”现象，降低数据的可信度。特别是在高速运动状态下，“丢步”现象将更为明显。这导致光栅尺的测量精度越高，其允许的测量速度上限越低，不能兼顾高速和高精度的测量要求，而一味地采用更高采集速度的设备，又将导致测量系统成本的显著提高。

中国专利申请号97112578.3中提出了一种电荷耦合器直接细分光栅位移传感器及其实现方法，其采用的测量方式是利用视场方向与光栅栅线成一θ夹角的线阵CCD器件来获取光栅尺栅线的像，并对栅线的像进行定位获取位移信息。所述专利中采用的测量方法是通过线阵CCD采集到的栅线的像，而后利用驱动电路对一维视场中的像进行扫描并获得扫描起点到第一条栅线像的脉冲序列，最后对所述脉冲序列进行计数，获得某一栅线相对于CCD扫描起点的位移量。专利97112578.3存在的主要缺点是：电荷耦合器(CCD)芯片的工作方式为曝光后各像素点上的电荷信号需要通过移位传输经由一个公用的数模转换器(ADC)对移位传输来的电荷信号进行放大输出，电荷传输耗费了大量时间。这种工作原理也使得电荷耦合器(CCD)无法对像素点进行直接定位且较难灵活选择感兴趣的感光区域，导致其需要通过扫描计数脉冲的形式来间接获像素的位置并采集到大量无用电荷信号信息，这进一步增加专利97112578.3在实际测试过程的消耗。上述种种限制决定了专利97112578.3中的位移传感器无法用于高速实时测量的领域。

中国专利申请号200510010288.1提出一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。其核心思想为：通常的高速高精度定位系统在定位时刻的速度并不高，因此其采用两个不同性能的光栅尺来完成位移测量：一个适于高速状态下、低分辨率测量的光栅尺(粗光栅尺)。一个适于低速状态下、高分辨率测量的光栅尺(精光栅尺)。在系统运动过程由高速转为低速的时刻，把双光栅尺的计数脉冲作切换，计数值作合成以获得定位时刻高分辨率的位移测量值。在其具体技术方案中，设定了切换速度阈值，在高速状态下由粗光栅尺进行位移及速度检测。当速度低于设定阈值时，由精光栅尺检测运动位移。该专利实现了光栅尺高速高精度的位移检测。其缺点在于：(1)其并未实现全过程的光栅尺高速高精度位移检测，其适用范围有限；2其采用了两套光栅尺，成本较高。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。