[发明专利]一种基于线阵CCD的位移测量方法

说明书

本发明公开一种基于线阵CCD的位移测量方法。使用FPGA对线阵CCD采集到的4段特定位置的光强信号采样，然后对采样信号进行中值滤波处理，获得4路稳定准确的信号值。通过运算消掉信号直流量求出2路正交的信号，使用CORDIC算法求出对应的相位，最后把相位按对应计数关系转换为位移。本发明对线阵CCD采集到的光强信号进行运算处理，具有精度高，硬件资源占用少的特点。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于线阵CCD的位移测量方法，可用于光栅尺位置信息的实时测量，属于光栅尺测量技术领域。

(二)背景技术

光栅尺是一种高精度线位移传感器，它以高精度长光栅作为测量基准，使用光电传感器将光学信号转化为电学信号，通过对电学信号进行处理，最终得到位置信息，常用于数控机床的闭环伺服系统中。与磁栅、球栅、激光干涉仪等相比，光栅尺由于分辨力、可靠性、测量精度等方面的优势广泛应用在各种机械加工。对于精度要求不高的工业加工，使用精度低的光栅尺可以完成加工。而随着我国制造业的不断升级，对于高精度加工的要求更为迫切。国内光栅尺的研究目前取得了一定的成就，但缺乏商用的高精度和高分辨力的光栅尺。因此，开展光栅尺的研究，分析影响其测量精度的主要因素，提出提高精度的方法，具有重要的社会价值和研究意义。

按照光电信号接收方式，光栅尺分为透射式光栅和反射式光栅；按照光扫描原理的不同，光栅尺可分为成像扫描光栅尺和干涉扫描原理光栅尺。本发明针对透射式、成像扫描光栅尺，对莫尔条纹进行计算。目前存在诸多光栅信号电子细分的处理方法，当前光栅尺计算位移的方法普遍是针对CMOS传感器，也有针对面阵CCD相机设计的方法，而对线阵CCD实现位移的方法研究较少。由于光源宽度，光栅栅距、狭缝宽度、栅线宽度不完全相等，导致光能量分布不是理想的三角波而近似是正弦波，存在系统误差，加上传统采用CMOS图像传感器像元间的一致性较难保证，不能准确采集光信号，导致光栅尺能达到的精度较低，不能满足加工精度高的工况环境。

线阵CCD像素尺寸能够低至微米量级，像元间的一致性较好，相对于传统传感器，能够提高空间分辨力，更为准确地光信号，而且线阵CCD能够达到更长的尺寸，更多采集到光信号，获得一段较好摩尔条纹信号。本发明提出使用线阵CCD与FPGA结合，通过光闸摩尔条纹，再经过CORDIC算法，实现对位移的计算。

(三)发明内容

本发明的目的在于提高光栅尺的运动精度，提供一种基于线阵CCD的位移测量方法。

一种基于线阵CCD的位移测量方法，包括以下步骤：

S1.对线阵CCD采集数据中选4个标定点，每个标定点连续取3ⁿ个数据；

S2.将4个标定点所取数据进行中值滤波，得到4路稳定信号；

S3.将4路信号中相位差180°相减消直流量得到2路正交信号，将正交信号进行CORDIC算法获得相位x₁；

S4.x₁延时得x₂，x₁与前一周期相位x'₂差值x₃，相位幅值x₄，若x₃大于x₄/2,则运动1个整周期，否则运动x₁；

S5.总相位x为整数个幅值mx₄加上x₁，再将x转换为对应计数关系的位移y。

进一步的，在步骤S1中，4个标定点为所采集线阵CCD信号上依次对应于指示光栅相位差90°的区域S_A、S_B、S_C、S_D。