光栅尺及其测量精度的提升方法、装置、介质和设备与流程

1.本公开涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种光栅尺及其测量精度的提升方法、装置、介质和设备。


背景技术：

2.光栅是一种分光和色散光学元件，广泛应用于精密测量、跟踪定位以及光信息处理等领域。光栅位移测量技术属于非接触测量，采用光电扫描原理测量位移，相比于接触式方法其稳定性好，且运动部件间无磨损。光栅尺是一种利用光栅的光学原理，具有纳米级测量精度、亚纳米级分辨率和极高的测量稳定性的精密位移测量设备，主要应用于各类测量机构及仪器的位移测量，例如弹簧试验机、三坐标机及投影仪等的位移测量；或应用于各类机床的数显系统，例如车床、铣床、磨床、镗床、电火花及钻床等的数显系统；或应用于各类数控机床的配套使用，例如数控铣、加工中心及数控磨等的配套使用。其中，光栅尺通常配接反馈控制装置，用于各类自动化机构的位移测量。
3.光栅尺的测量基准是光栅的栅距，其核心的组成部分是测量光栅和读数头，读数头中的光源产生激光束照射到测量光栅上，测量光栅固定于工作台等线性移动部件上，发生相对位移时，读数头将测量光栅刻线之间相对位移引起的光信号的光强变化转变为电信号，这一过程称为光电扫描，光信号经光电转换和信号细分等处理后得到对应的位移值（即待测量）。
4.相关技术中，通常通过分段均值法降低正交信号的噪声，对正交性信号进行分段求平均，噪声累加相互抵消。具体地：根据设计的光学方案，完成光栅尺测量系统的装调，使用光电传感器分别采集包含有待测位移信息的多路干涉信号，再通过移相算法将测得的原始干涉信号转换为正交信号，正交信号标示了光栅尺的运动方向和位移量。由于电子电路、光电器件温度漂移等因素影响，得到的正交信号存在较大的噪声，影响信号细分和测距精度。针对此，可通过对一段时间里的正交信号幅值求平均的方式降低正交信号的噪声。但是，由于直接对原始信号进行处理，在降低噪声的同时影响原始信号标示的信息，虽然实现了噪声降低，但仍不能实现测量精度的有效提升。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种光栅尺及其测量精度的提升方法、装置、介质和设备。
6.本公开提供了一种光栅尺测量精度的提升方法，该方法包括：获取与待测量关联的输入信号；基于所述输入信号，生成跟随信号；其中，所述跟随信号的相位与所述输入信号的相位保持一致；基于所述跟随信号，确定待测量。
7.可选地，所述基于所述输入信号，生成跟随信号，包括：
对所述输入信号进行相位检测，获取所述输入信号的相位信息；获取初始跟随信号；基于所述输入信号的相位信息，对所述初始跟随信号进行相位补偿，得到相位补偿后的所述跟随信号；其中，相位补偿后的所述跟随信号的相位信息与所述输入信号的相位信息保持一致。
8.可选地，所述对所述输入信号进行相位检测，获取所述输入信号的相位信息，包括：针对所述输入信号，基于锁相环中的鉴相器原理，确定所述输入信号的相位信息。
9.可选地，所述基于所述输入信号的相位信息，对所述初始跟随信号进行相位补偿，得到相位补偿后的所述跟随信号，包括：确定初始跟随信号与所述输入信号的相位差；基于所述相位差，确定相差角度值；基于当前的相差角度值、累计的相差角度值、获取的增益系数以及积分系数，确定相位补偿量；基于所述初始跟随信号和对应的所述相位补偿量，确定相位补偿后的所述跟随信号。
10.可选地，所述获取与待测量关联的输入信号，包括：获取读数头运动状态下的相位不同但频率相同的三路干涉信号；基于所述三路干涉信号进行数据变换，确定与待测量关联的输入信号。
11.可选地，所述初始跟随信号的相位为0。
12.本公开还提供了一种光栅尺测量精度的提升装置，该装置包括：信号获取模块，用于获取与待测量关联的输入信号；信号生成模块，用于基于所述输入信号，生成跟随信号；其中，所述跟随信号的相位与所述输入信号的相位保持一致；位移确定模块，用于基于所述跟随信号，确定待测量。
13.本公开还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储程序或指令，所述程序或指令使计算机执行上述任一种方法的步骤。
14.本公开还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；所述处理器通过调用所述存储器存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤。
15.本公开还提供了一种光栅尺，基于上述任一种方法的步骤进行测量；或者所述光栅尺包括上述任一种装置；或者所述光栅尺包括上述任一种电子设备。
16.本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本公开提供的光栅尺测量精度的提升方法包括：获取与待测量关联的输入信号；基于输入信号，生成跟随信号；其中，跟随信号的相位与输入信号的相位保持一致；基于跟随信号，确定待测量。由此，能够在获取与待测量关联的输入信号之后，生成与其相位保持一致的跟随信号，进而确定待测量；其中，由于跟随信号的生成无需经过电子电路、光电器
件等结构，避免了由此引入噪声的问题，即在降低噪声的同时不会影响对应于待测量的标示信息，从而提高了信噪比，有利于提升测量精度。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
18.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本公开实施例提供的一种光栅尺测量精度的提升方法的流程示意图；图2为本公开实施例提供的一种输入信号的示意图；图3为本公开实施例提供的一种跟随信号的示意图；图4为本公开实施例提供的一种干涉信号、输入信号以及跟随信号的变换关系示意图；图5为图4中示出的信号的局部放大示意图；图6为本公开实施例提供的一种光栅尺测量精度的提升装置的结构示意图；图7为本公开实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
20.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
21.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
22.本公开实施例提供的光栅尺测量精度的提升方法可理解为光栅尺（即光栅位移传感器）位移测量部分的光电信号处理方法，用于对光栅尺测量过程中直接标示位移量的输入信号（例正交信号）的噪声进行抑制，例如能够实现相对于相关技术中的正交信号噪声抑制能力更强的抑制效果，且不影响其中的标示信息，解决了因电子电路、光电器件温度漂移等因素引入的噪声问题，从而实现了光栅尺测量精度的提升，例如实现了光栅尺纳米级别的测量精度。
23.具体地，读数头中半导体激光器（laser diode，ld）发射的平行光经过透射光栅和反射光栅，发生衍射和干涉，利用 1、-1级衍射光在读数头中的探测器端形成干涉信号；利用两光栅发生相对运动时 1、-1级衍射光相位变化方向相反的特性，两个运动信号周期对应一个光栅栅距，实现信号周期的二倍细分；同时使不同组透射、反射 1、-1级衍射光组合干涉下的干涉信号发生相位移动，产生3组初始相位不同、频率相同的干涉信号；为实现运动量与运动方向的准确求解，需要利用同频、不同初始相位的3组干涉进行正交转换，建立正交信号，进而通过正交信号的高精度相位解算，较准确地提取待测量，例如包含运动方向的位移信息。
24.进一步地，正交信号基于探测器采集的干涉信号进行转换得到，携带由电子电路、光电器件温度漂移等因素导致的噪声，本公开实施例中，将正交信号作为获取到的输入信号，通过生成与输入信号相位保持一致的跟随信号，进而确定待测量；其中，由于跟随信号的生成无需经过电子电路、光电器件等结构，避免了由此引入噪声的问题，即在降低噪声的同时不会影响对应于待测量的标示信息，从而提升了信噪比，有利于提升测量精度。
25.进一步地，可利用锁相环算法，鉴别输入信号的相位，并通过对具有预设相位的初始跟随信号进行相位补偿，得到与输入信号相位保持一致的跟随信号，解决了输入信号噪声较大的问题，实现了正交信号噪声抑制，提高了光栅尺的测距精度。
26.下面结合附图，对本公开实施例提供的光栅尺测量精度的提升方法、光栅尺测量精度的提升装置、计算机可读存储介质、电子设备以及光栅尺进行示例性说明。
27.在一些实施例中，图1为本公开实施例提供的一种光栅尺测量精度的提升方法的流程示意图。参照图1，该光栅尺测量精度的提升方法（本文中可简称为“方法”）包括如下步骤：s11、获取与待测量关联的输入信号。
28.其中，待测量可为需要测量的位移，即包括运动方向的位移信息。输入信号与待测量关联，输入信号可携带待测量的标示信息；示例性地，该标示信息可为相位。
29.示例性地，图2为本公开实施例提供的一种输入信号的示意图。参照图2，该输入信号可为携带待测量信息的两路正交信号；并且，由图2可以看出，这两路正交信号的平滑度较差，噪声较大。
30.针对此，通过后续步骤，生成跟随信号，在保留待测量的标示信息的同时，滤除了噪声信号，从而提高测量精度。
31.s12、基于输入信号，生成跟随信号。
32.其中，跟随信号的相位与输入信号的相位保持一致。需要说明的是，“相位”在本文中也称为“相位信息”。
33.本公开实施例中，由于相位为用于得到待测量的标示信息，因此，通过使跟随信号和输入信号的相位保持一致，能够基于跟随信号得到输入信号所携带的待测量。
34.同时，由于跟随信号直接由处理器生成并用于后续信号处理过程，跟随信号中不存在由于电子电路、光电器件温度漂移等因素导致的噪声信号，相对于输入信号而言，在保留标示信息的同时有效降低了噪声，从而有利于提升测量精度。
35.示例性地，图3为本公开实施例提供的一种跟随信号的示意图。结合图3和图2，该跟随信号为对应于输入信号的去噪后的信号，将图3和图2对比可知，图3中示出的两路正交信号的平滑度较好，其噪声较小，从而有利于通过后续信号处理得到精度较高的待测量。
36.示例性地，如2和图3中的两路正交信号可均为电压随时间的变化曲线，且图2中示出的信号波动可为
±
0.5v，图3中示出的信号波动可小于
±
0.1v，从而实现了五倍降噪，即实现了正交信号噪声抑制，提高了光栅尺的测距精度。
37.s13、基于跟随信号，确定待测量。
38.其中，由于跟随信号与输入信号的相位保持一致，其携带待测量的标示信息。因此，对跟随信号进行解算，可得到待测量。
39.本公开实施例提供的光栅尺测量精度的提升方法中，能够在获取与待测量关联的
输入信号之后，生成与其相位保持一致的跟随信号，进而确定待测量；其中，由于跟随信号的生成无需经过电子电路、光电器件等结构，使得跟随信号相对于输入信号在保留了相位的同时避免了由上述结构引入噪声干扰信号的问题，即在降低噪声的同时不会影响对应于待测量的标示信息，从而提高了信噪比，有利于提升光栅尺的测量精度。
40.在一些实施例中，在图1的基础上，s11中，获取与待测量关联的输入信号，具体可包括：获取读数头运动状态下的相位不同但频率相同的三路干涉信号；基于三路干涉信号进行数据变换，确定与待测量关联的输入信号。
41.具体地，结合上文，为实现运动量与运动方向的准确求解，需要利用同频且不同初始相位的3组干涉信号进行正交转换，建立正交信号，即得到输入信号，并进一步生成跟随信号，以求解出待测量。
42.示例性地，图4为本公开实施例提供的一种干涉信号、输入信号以及跟随信号的变换关系示意图，图5为图4中示出的信号的局部放大示意图。图4和图5中，l1代表三路干涉信号，l2代表原始的两路正交信号，即输入信号，l3代表跟随生成的两路正交信号，即跟随信号。参照图4或图5，三路干涉信号l1，经过初相位求解和三步移相算法，可得到原始的两路正交信号，即输入信号l2，这两路正交信号的波动较大，即存在较大的噪声；再经过相位识别和补偿，生成跟随的两路正交信号，即跟随信号l3，且跟随信号l3波动较小，其仅保留与输入信号l2的相位一致，而滤除了其中的噪声信号，相当于提高了信噪比，从而在后续信号处理过程中受噪声信号的影响较小，能够提升测量精度。
43.在其他实施方式中，还可采用本领域技术人员可知的其他方式获取与待测量关联的输入信号，在此不限定。
44.在一些实施例中，在图1的基础上，s12中，基于输入信号，生成跟随信号，具体可包括：步骤一，对输入信号进行相位检测，获取输入信号的相位信息。
45.其中，对输入信号鉴相，即检测相位，确定输入信号的相位信息，为后续步骤中生成与输入信号相位保持一致的跟随信号做准备。
46.在一些实施例中，该步骤具体可包括：针对输入信号，基于锁相环中的鉴相器原理，确定输入信号的相位信息。进一步地，结合对初始跟随信号的相位补偿，实现信号跟随。
47.其中，锁相环对应的算法是一种具有跟随属性的算法，将原始的两路正交信号作为输入信号，输入锁相环中，利用锁相环中鉴相器的原理，能够准确获取输入信号的相位信息。
48.并进一步地，在获取相位信息后，自动产生新的正交信号来跟随原始的正交信号，新产生的正交信号既保留原始的正交信号标示光栅尺位移量和运动方向的相位信息，又降低了电子电路、光电器件对原始的正交信号引入的噪声，从而生成的跟随信号相对于输入信号实现了滤波，其信噪比较高，有利于提升测量精度。
49.步骤二，获取初始跟随信号。
50.其中，初始跟随信号为待补偿的跟随信号，其与输入信号的相位可能存在差异，并在进行补偿之后得到与输入信号的相位保持一致的跟随信号。
51.在一些实施例中，初始跟随信号的相位为0，以简化补偿过程，提高数据处理效率，
从而提高测量效率。
52.在其他实施方式中，初始跟随信号的相位还可设置为其他相位，在此不限定。
53.在其他实施方式中，上述步骤二还可在步骤一之前执行，或者二者并行执行，在此不限定。
54.步骤三，基于输入信号的相位信息，对初始跟随信号进行相位补偿，得到相位补偿后的跟随信号。
55.其中，相位补偿后的跟随信号的相位信息与输入信号的相位信息保持一致，以使得经相位补偿后得到的跟随信号保留初始信号携带的待测量的标示信息，同时实现去噪，提高信噪比，利于提升测量精度。
56.在一些实施例中，该步骤具体可包括：确定初始跟随信号与输入信号的相位差；基于相位差，确定相差角度值；基于当前的相差角度值、累计的相差角度值、获取的增益系数以及积分系数，确定相位补偿量；基于初始跟随信号和对应的相位补偿量，确定相位补偿后的跟随信号。
57.本公开实施例中，可利用锁相环算法，在确定输入信号的相位信息之后，对初始跟随信号进行相位补偿，确定跟随信号。
58.具体的，输入信号为光栅尺对应的三路干涉信号经过初相位求解和三步移相算法后得到的两路原始的正交信号；跟随信号为由控制器（内置光栅尺测量精度的提升装置）经过数模转换（digital to analog converter，dac）模块输出的和输入信号的相位保持一致的、且噪声干扰信号较小的两路正交信号；由输入信号预测跟随信号可采用锁相环算法实现。
59.下面示例性地说明锁相环算法实现的原理：输入信号对应的两路原始的正交信号表示为out_sin和out_cos；由三路干涉信号经过初相位求解和移相算法得到；跟随信号对应的两路正交信号表示为dsin和dcos，为由dac直接输出的信号。
60.示例性地，两路跟随信号的初始相位为0。
61.具体实现步骤如下：第一步：确定初始跟随信号和输入信号之间的相位差。
62.具体地，初始跟随信号的相位与输入信号的相位之间满足如下三角函数公式：tan（α-β）=（tanα-tanβ）/（1 tanα
×
tanβ）；其中，α代表输入信号信号的相位，β代表初始跟随信号的相位；将两路正交信号的sin值和cos值代替公式中的tan，即可求出相位差的正切值，如下：tanvalue =（cos
×
dcos
ꢀ‑ꢀ
sin
×
dsin）/ sin
×
dcos cos
×
dsin；其中，tanvalue代表相位差的正切值。
63.第二步：依据相位差的正切值求出相差角度值（即误差角度值）。
64.具体地，依据三角函数求反切公式，得出相差角度值，如下：delta_phi = arctan（tanvalue）；其中，delta_phi代表相差角度值。
65.第三步：计算预测补偿量，如下：预测补偿量=增益系数
×
当前误差值 积分系数
×
累计误差值；其中，增益系数和积分系数是依据跟随信号类型和实际跟随效果调整确认的，可基于光栅尺测量精度的提升方法设置，在此不限定。
66.上述预测补偿量的计算公式还可表示为：comp = frequ_out p_out；其中，comp代表预测补偿量，p_out代表预测补偿量的增益分量；frequ_out代表预测补偿量的积分分量，且：p_out = beta
ꢀ×ꢀ
delta_phi；frequ_out = bw
×
delta_phi；其中，delta_phi代表当前误差值，即前述第一步中得到的相位差；beta代表增益系数，bw代表积分系数； =代表迭代运算，即预测补偿量的积分分量基于迭代运算得到，即：当前frequ_out=前一frequ_out bw
×
delta_phi；第四步，输出跟随信号。
67.具体地，依据补偿量输出两路正交信号，表示为：dsin = sin（phi_hat）；dcos = cos（phi_hat）；其中，dsin和dcos代表跟随信号对应的两路正交信号，phi_hat代表输出的跟随信号的相位，其初始值为0，且可表示为：phi_hat = comp；即该相位可有预测补偿量迭代计算确定，即：后一phi_hat= 前一phi_hat comp。
68.如此，实现基于输入信号，利用锁相环算法，确定跟随信号，且确保跟随信号的相位与输入信号的相位保持一致，并滤除噪声干扰信号，从而提高信噪比，提升测量精度。
69.在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种光栅尺测量精度的提升装置，该装置能够执行上述任一种方法的步骤，具有对应的有益效果。
70.在一些实施例中，图6为本公开实施例提供的一种光栅尺测量精度的提升装置的结构示意图。参照图6，该装置可包括：信号获取模块21，用于获取与待测量关联的输入信号；信号生成模块22，用于基于输入信号，生成跟随信号；其中，跟随信号的相位与输入信号的相位保持一致；位移确定模块23，用于基于跟随信号，确定待测量。
71.本公开实施例提供的光栅尺测量精度的提升装置中，通过上述各功能模块之间的协同配合，能够在获取与待测量关联的输入信号之后，生成与其相位保持一致的跟随信号，进而确定待测量；其中，由于跟随信号的生成无需经过电子电路、光电器件等结构，使得跟随信号相对于输入信号在保留了相位的同时避免了由上述结构引入噪声干扰信号的问题，即在降低噪声的同时不会影响对应于待测量的标示信息，从而提高了信噪比，有利于提升光栅尺的测量精度。
72.在一些实施例中，信号生成模块22，具体用于：对输入信号进行相位检测，获取输入信号的相位信息；获取初始跟随信号；基于输入信号的相位信息，对初始跟随信号进行相位补偿，得到相位补偿后的跟随信号；其中，相位补偿后的跟随信号的相位信息与输入信号
的相位信息保持一致。
73.在一些实施例中，信号生成模块22用于对输入信号进行相位检测，获取输入信号的相位信息，具体包括：针对输入信号，基于锁相环中的鉴相器原理，确定输入信号的相位信息。
74.在一些实施例中，信号生成模块22用于基于输入信号的相位信息，对初始跟随信号进行相位补偿，得到相位补偿后的跟随信号，具体包括：确定初始跟随信号与输入信号的相位差；基于相位差，确定相差角度值；基于当前的相差角度值、累计的相差角度值、获取的增益系数以及积分系数，确定相位补偿量；基于初始跟随信号和对应的相位补偿量，确定相位补偿后的跟随信号。
75.在一些实施例中，信号获取模块21，具体用于：获取读数头运动状态下的相位不同但频率相同的三路干涉信号；基于三路干涉信号进行数据变换，确定与待测量关联的输入信号。
76.在一些实施例中，初始跟随信号的相位为0。
77.能够理解的是，图6示出的光栅尺测量精度的提升装置能够实现上述实施方式提供的任一种光栅尺测量精度的提升方法的步骤，实现对应的效果，在此不赘述。
78.本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施方式中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储程序或指令，程序或指令使计算机执行上述任一种方法的步骤，实现对应的效果，在此不赘述。
79.本公开实施例还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；处理器通过调用存储器存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤，实现对应的效果，在此不赘述。
80.在一些实施例中，图7为本公开实施例提供的一种电子设备的结构示意图，参照图7，该电子设备包括：处理器32和存储器31；处理器32通过调用存储器31存储的程序或指令，用于执行上述任一种方法的步骤，实现对应的效果。
81.其中，存储器31可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器（ram）和/或高速缓冲存储器（cache）等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器（rom）、硬盘、闪存等。
82.其中，处理器32可以是中央处理单元（central processing unit，cpu）或者具有数据计算能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备700中的其他组件以执行期望的功能。
83.在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器32可以运行所述程序指令，以实现上述任一种方法的步骤，和/或者其他期望的功能。
84.本公开实施例还提供了一种光栅尺，基于上述任一种方法的步骤进行测量；或者光栅尺包括上述任一种装置；或者光栅尺包括上述任一种电子设备，能够实现对应的有益效果，在此不赘述。
85.在其他实施方式中，光栅尺还可包括其他结构或功能部件，在此不赘述也不限定。
86.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
87.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。