專利名稱：干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法。
背景技術(shù)：
由于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對檢測儀器的精度要求越來越高，這就對精密儀器的加工和檢測方法提出了更高的要求。光電軸角編碼器作為精密角度測量儀器，已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種位置控制和檢測領(lǐng)域。編碼器的關(guān)鍵檢測元件為計量圓光柵，它在軸系上的安裝偏心直接影響編碼器的測角精度。目前，傳統(tǒng)的計量光柵可以通過顯微鏡目測檢測的方法即可達到精度要求。高精度的計量光柵可以通過光柵副之間產(chǎn)生莫爾條紋通過兩個對徑放置的光電接收器提取出位移信息的檢測方法，而這種檢測方法存在局限性，當光柵盤密度增大時光柵副之間的間距減少，因此編碼器機械裝調(diào)困難，光電信號對比度差，檢測的計量光柵線密度不高于125線對/mm。因此，提供一種能夠檢測高于125線對/mm計量光柵的簡單易行的檢測方法勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有高密度光柵檢測方法存在的編碼器機械裝調(diào)困難，光電信號對比度差，計量光柵線密度不高于125線對/mm的問題，本發(fā)明提供一種干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法，可對安裝在編碼器軸系上數(shù)干線對/mm密度的圓光柵偏心進行檢測。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法，包括如下步驟將干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置通電，兩組對徑放置的激光器同時發(fā)出單色光，一組激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過對應(yīng)的準直鏡后變?yōu)槠叫泄?，平行光垂直入射到待檢測的主光柵盤中，經(jīng)過主光柵盤發(fā)生一次衍射，分別取0級次和+1級次衍射光，兩束衍射光射向副光柵盤，副光柵盤與轉(zhuǎn)軸同軸安裝，光經(jīng)過副光柵盤發(fā)生二次衍射，取(0，+1)級次和(+1，0)級次衍射光，二次衍射后的兩束衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋；由一個光電接收器接收后，將干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳給示波器；另一組激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過對應(yīng)的準直鏡后也變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過與上述一組激光器相同的光路原理后，也產(chǎn)生干涉條紋；由另一個光電接收器接收后，將干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號轉(zhuǎn)換為電信號后也傳給示波器；示波器得到兩組不同相位的正弦信號，通過比相法計算出主光柵盤相對于精密轉(zhuǎn)動主軸的偏心量。本發(fā)明的有益效果是該檢測方法提高了分辨率，信號反差大，由于信號提取原理不同于現(xiàn)有的莫爾條紋原理，不需要光柵盤之間的距離太小，便于安裝調(diào)試。并且，衍射的條件滿足高密度柵線光柵盤的檢測，可以實現(xiàn)光柵計量系統(tǒng)體積減小，結(jié)構(gòu)簡單化，可以檢測線密度高于125線對/mm的計量光柵盤。


圖1是本發(fā)明中的干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的動態(tài)干涉條紋信號檢測原理圖。圖3是本發(fā)明中對徑安裝的光電接收器得到的信號圖。圖4是本發(fā)明根據(jù)圖3在示波器中合成的李薩茹圖形。圖5是圖4中的李薩茹圖形在一個循環(huán)周期內(nèi)的六種狀態(tài)示意圖。圖6是本發(fā)明中的干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置的原理圖。圖7是本發(fā)明中兩個光電接收器的安裝位置示意圖。圖8是本發(fā)明偏心量與光柵柵格差距的幾何關(guān)系圖。圖9是本發(fā)明偏心極限位置與接收器位置的幾何關(guān)系圖。圖中1、一號激光器，2、一號準直鏡，3、主光柵盤，4、副光柵盤，5、一號光電接收器，6、二號光電接收器，7、二號準直鏡，8、二號激光器，9、主軸，10、軸套，11、光柵連接座， PDl表示一號光電接收器5，PD2表示二號光電接收器6。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法所使用的檢測裝置包括 一號激光器1、一號準直鏡2、副光柵盤4、一號光電接收器5、二號光電接收器6、二號準直鏡7、二號激光器8、主軸9、軸套10、光柵連接座11和示波器；待檢測的主光柵盤3固定在主軸9的平臺上，副光柵盤4固定在光柵連接座11上；光柵連接座11固定在軸套10上，光柵連接座11與軸套10同軸；軸套10與主軸9同軸，通過軸承動連接；副光柵盤4與主軸9 通過光柵連接座11和軸套10實現(xiàn)同軸；一號激光器1與二號激光器8、以及一號準直鏡2 與二號準直鏡7分別對徑安裝于主光柵盤3下面的軸套位置，并呈軸心對稱；一號光電接收器5和二號光電接收器6分別置于副光柵盤4的上方；示波器分別與一號光電接收器5和二號光電接收器6連接。一號激光器1與二號激光器8具有較好的單色性，波段為可見光范圍，即波長范圍 380nm 800nm，并且體積小，功率相對較大，一般在mW級以上，實施例中用到的激光器波長為780nm，功率為5mW。主光柵盤3和副光柵盤4之間的間距無特殊要求，可以適當調(diào)整位置，防止主光柵盤3運動時發(fā)生刮擦，兩光柵盤的柵線密度高于125線對/mm。如圖2所示，本發(fā)明中的動態(tài)干涉條紋信號檢測原理是激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過主光柵盤發(fā)生一次衍射，分別取0級次和+1級次，兩束衍射光經(jīng)過副光柵盤發(fā)生二級衍射取(0，+1)級次和(+1，0)級次，出射光線由于主光柵盤的移動，(+1,0)級次產(chǎn)生頻移，(0， +1)級次則不發(fā)生頻移，二者出射方向一致，產(chǎn)生干涉條紋。光電接收器接收到干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號后可以在示波器中得到正弦信號，根據(jù)不同相位正弦信號的合成，即可檢測出主光柵盤的偏心位置及偏心量。根據(jù)光柵方程dXsinW = πιλ (m = 0，士 1，士2，K)(1)式中，d為光柵柵距，Ψ為衍射角，m為衍射級次，λ為衍射光的波長。假設(shè)衍射光斑直徑為2r，級次為(0，1)和(1，0)兩束衍射光為了能夠產(chǎn)生干涉，衍射光斑必須有重疊部分，即要求兩束光中心距離L < 2r，根據(jù)圖2可得L= SxtgWXcosW= δ X λ /d(2)式中，δ為主光柵盤3和副光柵盤4的間距，為了便于安裝和保護光柵刻劃面，應(yīng)使δ彡0.1mm，但為了能夠發(fā)生干涉，必須滿足δ < 2rXd/A(3)例如，對于波長λ = 785nm、光斑直徑2r為2mm的衍射光，光柵柵距d = 2. 4 μ m 的碼盤，主、副光柵盤的間距δ <6. 12mm，實際為了便于光電接收器探測，應(yīng)當盡量使光斑重疊部分增大，相應(yīng)光柵盤間距δ減小。本發(fā)明的干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置安裝完成后，將對徑位置的一號激光器1與二號激光器8通電，在相應(yīng)的一號光電接收器5與二號光電接收器6中提取干涉條紋信號，并將信號線連接示波器，通過示波器中信號微調(diào)兩光電接收器的位置，即，使兩光電接收器的視場位于光線的一階衍射角位置。對徑位置得到清晰穩(wěn)定的靜態(tài)條紋信號后， 均勻轉(zhuǎn)動主軸9，通過示波器顯示可以看到正弦信號發(fā)生移動，而且信號的周期發(fā)生細微變化。一號光電接收器5與二號光電接收器6以主軸9為中心，以0°和180°對徑安裝；由于主光柵盤3相對主軸9的偏心，導致一號光電接收器5與二號光電接收器6在相同時間內(nèi)經(jīng)過的光柵數(shù)不一樣，即得到的探測信號在頻率和相位上存在差異，通過對比可以解算出運動一周對徑位置信號產(chǎn)生的相位差，再根據(jù)信號與光柵參數(shù)之間的關(guān)系，可以通過相位差計算出偏心量。計算過程如下對徑安裝的一號光電接收器5與二號光電接收器6得到的信號如圖3所示，信號分別為X，Y，設(shè)初始信號為X = Asin(ω J+θ J(4)Y = Bsin (ω 2t+ θ 2))(5)如果偏心為0，信號X，Y的角頻率相等，= 2 π x/d，x為主光柵盤3運動的線位移，d為主光柵盤3的柵距；如果偏心為e，信號X，Y的角頻率不相等，其中CO1 = ZjixiAI, ω2 = 2 π x2/d, xl 為主光柵盤3 —側(cè)運動的線位移，x2為光柵對徑位置運動的線位移，則由于偏心頻移產(chǎn)生的相位差Δ θ為Δ θ = 2 π (X2-X1) /d(6)而根據(jù)幾何關(guān)系e (X2-X1)/2，于是可得偏心量e和相位差Δ θ之間的關(guān)系e = Δ θ X d/ (4 π )(7)Δ θ可以通過示波器中信號X，Y合成的李薩茹圖變化讀出，如圖4和圖5所示， 從李薩茹圖形讀出對應(yīng)的相位差值(要求正弦信號頻率相等)，圖形兩次穿過水平軸之間的距離ζ與圖形在水平軸投影總長度ζΟ之比設(shè)為w，則相位差Δ θ =arcsin(w)，結(jié)合圖形旋轉(zhuǎn)方向，可以得到相位角真值表如附表1所示(歸一化后結(jié)果)附表權(quán)利要求
1.干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟將干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置通電，兩組對徑放置的激光器同時發(fā)出單色光，一組激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過對應(yīng)的準直鏡后變?yōu)槠叫泄猓叫泄獯怪比肷涞酱龣z測的主光柵盤中，經(jīng)過主光柵盤發(fā)生一次衍射，分別取0級次和+1級次衍射光，兩束衍射光射向副光柵盤，副光柵盤與轉(zhuǎn)軸同軸安裝，光經(jīng)過副光柵盤發(fā)生二次衍射，取(0，+1)級次和(+1，0)級次衍射光，二次衍射后的兩束衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋；由一個光電接收器接收后，將干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳給示波器；另一組激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過對應(yīng)的準直鏡后也變?yōu)槠叫泄?，?jīng)過與上述一組激光器相同的光路原理后，也產(chǎn)生干涉條紋；由另一個光電接收器接收后，將干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號轉(zhuǎn)換為電信號后也傳給示波器； 示波器得到兩組不同相位的正弦信號，通過比相法計算出主光柵盤相對于精密轉(zhuǎn)動主軸的偏心量。
2.如權(quán)利要求1所述的干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法，其特征在于，所述干涉式高密度圓光柵偏心檢測裝置包括一號激光器(1)、一號準直鏡O)、副光柵盤G)、一號光電接收器(5)、二號光電接收器(6)、二號準直鏡(7)、二號激光器⑶、主軸(9)、軸套(10)、 光柵連接座(11)和示波器；待檢測的主光柵盤C3)固定在主軸(9)的平臺上，副光柵盤(4) 固定在光柵連接座(11)上；光柵連接座(11)固定在軸套(10)上，光柵連接座(11)與軸套 (10)同軸；軸套(10)與主軸(9)同軸，通過軸承動連接；副光柵盤(4)與主軸(9)通過光柵連接座(11)和軸套(10)實現(xiàn)同軸；一號激光器(1)與二號激光器(8)、以及一號準直鏡 (2)與二號準直鏡(7)分別對徑安裝于主光柵盤(3)下面的軸套位置，并呈軸心對稱；一號光電接收器(5)和二號光電接收器(6)分別置于副光柵盤的上方；示波器分別與一號光電接收器( 和二號光電接收器(6)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法，其特征在于，所述比相法包括如下步驟兩組不同相位的正弦信號合成李薩茹圖形，觀察李薩茹圖形的運動軌跡，當在某位置運動方向發(fā)生改變時，記錄該點為最小極值點，并通過真值表得到最小極值點對應(yīng)的相位差△ θ min的數(shù)值，繼續(xù)沿同方向轉(zhuǎn)動過180°的位置時，記錄該點為最大極值點， 并通過真值表得到最大極值點對應(yīng)的相位差Δ θ _的數(shù)值；得到兩個極值點后，根據(jù)李薩茹圖形的規(guī)律，記錄轉(zhuǎn)動過程中李薩茹圖形變化的循環(huán)次數(shù)，進而得到相位差中的整周期數(shù)n，最后，根據(jù)偏心量和相位差之間的公式計算出偏心量e
全文摘要
干涉式高密度圓光柵偏心檢測方法涉及精密儀器檢測領(lǐng)域，該方法利用激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過主光柵盤發(fā)生一次衍射，分別取0級次和+1級次，兩束衍射光經(jīng)過副光柵盤發(fā)生二級衍射取(0，+1)級次和(+1，0)級次，出射光線由于主光柵盤的移動，(+1，0)級次產(chǎn)生頻移，(0，+1)級次則不發(fā)生頻移，二者出射方向一致，產(chǎn)生干涉條紋；光電接收器接收到干涉產(chǎn)生的明暗條紋光信號后可以在示波器中得到正弦信號，根據(jù)不同相位正弦信號的合成，即可檢測出主光柵盤的偏心量。本發(fā)明可以檢測密度高于125線對/mm的計量光柵盤，使編碼器光機結(jié)構(gòu)的機械裝調(diào)方便，使光柵計量系統(tǒng)體積減小，結(jié)構(gòu)簡單化。
文檔編號G01B11/27GK102564355SQ20111045093
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者曹艷波, 艾華 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所