相位基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究開題報告

1、.填 寫 說 明一本表為研究生進入課題研究和學位論文工作時在導師指導下所做的課題研究報告，為保證碩士研究生有一年以上的時間用于課題研究，博士研究生有二年以上的時間用于課題研究，碩博連讀研究生有不少于二年半的時間用于課題研究，研究生應按時開題，并填寫開題報告。二指導教師和所在系所要認真審查研究生選題是否準確、適當（即課題有無理論意義和經(jīng)濟意義，作為攻讀學位的研究生研究課題是否適宜，在課題的難度和份量上是否恰當，能否在規(guī)定的時間內(nèi)完成等），實驗方案是否合理、可行，并對所選題給予恰當評價。指導教師意見中還可以對研究生的開題報告作某些補充和說明。三填寫本表前系所應組織研究生就選題情況進行公開答辯，提出

2、修改意見。研究生修改定稿后填寫本表。經(jīng)導師、系、學院簽署審核意見后復印二份，在第三學期結(jié)束前（碩士研究生、博士生）、第四學期結(jié)束前（碩博連讀生）送學院研究生秘書匯總，二份留學院，原稿由學院研究生秘書送研究生培養(yǎng)科存檔。四博士生、碩博連讀研究生需要填寫研究生學位論文開題報告簡表，開題報告的公開答辯的成績由學院登錄。五本表經(jīng)批準后必須嚴格執(zhí)行。如因特殊原因必須修改計劃時，須書面申請，并經(jīng)導師、系、學院同意后方可修改計劃。六如果論文選題有重大變動，必須另行開題。研究生學位論文開題報告簡表錄取類別（ ） 免試 （ ）應屆生 （ ） 其他學習類別（ ） 在職學習（ ） 脫產(chǎn)學習入學時間2010年9月預計

3、畢業(yè)時間2012年5月指導教師第一導師姓名、職稱第二導師姓名、職稱論文題目：基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究依托的項目（課題）名稱項目（課題）編號、來源項目（課題）的起始時間導師在項目（課題）中作用項目（1）（ ）主持人（ ）參加項目（2）（ ）主持人（ ）參加自擬項目（ ）主持人（ ）參加預計研究的創(chuàng)新點光源驅(qū)動方式：對LED光源的光強信號作正余弦規(guī)律變化，以此作為電路的調(diào)制信號信號處理方式：對正余弦兩路相位調(diào)制信號進行位移信號的解調(diào)其他需要說明的事注：選題的依托項目（課題）的起始時間應與博士論文工作必須有一年以上重合期。本簡表為博士生（含碩博）研究生學位授予時審核的依據(jù)。碩士

4、研究生不填寫該頁簡表。一 學位論文題目：基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究二所選課題的來源、目的、意義及該課題在國內(nèi)外的概況：目的：將LED光源按照正、余弦變化的光通量，作為調(diào)制信號；光柵每柵格輸出的脈沖信號作為載波信號，對光源模塊和光柵尺的相對位移量進行相位調(diào)制；再通過軟件方法實現(xiàn)解調(diào)，在對測量信號進行修正和補償后，最終實現(xiàn)位移量的高精度測量。意義：隨著現(xiàn)代加工和計量技術(shù)的發(fā)展，對長度和位移量的測量精度要求不斷提高，同時也要求測量結(jié)果能夠方便地輸出和進行數(shù)據(jù)處理。光柵測量技術(shù)由于具有很高的測量精度，并且能夠和電子技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)測量的高速化、自動化而被作為精密計量元件

5、廣泛應用于儀器儀表及機床等方面。本課題對信號的處理方法不同于傳統(tǒng)光柵測位移基于光柵柵距變化的直接測量，而是采用相位調(diào)制的方法，將位移信號的變化轉(zhuǎn)換成信號的相位差，既保留了光柵側(cè)位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡便、處理速度快、分辨率高的優(yōu)點，而且由于現(xiàn)階段晶振的時鐘基準已經(jīng)十分穩(wěn)定，所以若將相位差作為位移變化的協(xié)變量，則很容易實現(xiàn)高精度的測量，因此在很大程度上提高了系統(tǒng)測量的準確性，降低了環(huán)境中各種噪聲對信號的影響。國內(nèi)外概況：隨著近代科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，利用光學進行精密測試是測試技術(shù)領域中的主要方法之一。在近代對測試技術(shù)要求更高的靈敏度和精度，傳統(tǒng)的普通光學方法已經(jīng)不能適應，為此，七十年代以來國內(nèi)外主要發(fā)展以

6、激光為中心的精密測試技術(shù)，特別是激光與計算機結(jié)合的近代光學測試技術(shù)。如今，國內(nèi)外都已經(jīng)有了較為成熟的基于光柵的激光測量產(chǎn)品，如德國海德漢公司生產(chǎn)的HEIDENHAINSPECTO高精度光柵式長度計、德國馬爾公司生產(chǎn)的Millimar P15-15系列光柵測頭以及我國標普納米測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LGl0系列超級千分表，其中大部分都是以光柵柵距作為基本單位的測量方法，而以相位變化為原理的測量系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，大部分也都是用于表面形貌測量，如2004年Xu Yande提出的用一個雙光柵正弦相位調(diào)制干涉儀來測量物體階梯表面的高度差。因此本課題將相移對應位移的原理應用于位移測量中具有創(chuàng)新點，也為突破

7、獲得更高的測量精度創(chuàng)造了一條途徑。-1-三課題研究的主要內(nèi)容及擬解決的問題和預期效果：主要內(nèi)容：系統(tǒng)的框圖如圖1所示，LED經(jīng)過其驅(qū)動電路分別發(fā)出正、余弦變化的光強信號，經(jīng)準直透鏡等光學元件的處理，投射過指示光柵與光柵尺，形成莫爾條紋，讀數(shù)頭在莫爾條紋不同相位處接受含有相位差的光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號處理電路，將信號調(diào)制成包含位移量的相位信號。LED驅(qū)動電路LED光源準直透鏡信號處理電路讀數(shù)頭光柵尺Labview軟件處理信號圖1 系統(tǒng)框圖擬解決問題：1. LED光通量調(diào)制驅(qū)動電路設計；2. 調(diào)制信號檢測及處理電路設計；3. 通過模擬光柵信號發(fā)生裝置對調(diào)制信號檢測及處理電路的測試與驗證；4.

8、 基于Labview的軟件解調(diào)信號方法及信號處理。預期效果：1. 構(gòu)建相位調(diào)制光柵精密位移測量系統(tǒng)；2. 各模塊正常工作；3. 最后的信號可實現(xiàn)對位移的準確測量；4. 系統(tǒng)達到結(jié)構(gòu)簡便、測量快速、精度高的要求。-2-四實驗設計方案及所需要的主要設備、儀器、材料（名稱、規(guī)格型號）及其數(shù)據(jù)（實驗大綱另訂）。設計方案：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括LED及其驅(qū)動電路、讀數(shù)頭模塊、信號解調(diào)處理模塊，另外在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還需設計一個模擬光柵信號的發(fā)生裝置，以確保讀數(shù)頭中的信號處理電路在高頻信號下可以正常工作。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖首先對各個模塊逐步設計與驗證：1. LED光通量調(diào)節(jié)驅(qū)動電路：選用高品質(zhì)可調(diào)光強

9、的LED燈，設計功率 可調(diào)電路實現(xiàn)對光強的調(diào)節(jié)。2. 讀數(shù)頭模塊：主要包括光電傳感器與信號處理電路兩部分。光電傳感器選用適于高頻轉(zhuǎn)換的低噪聲光電二極管，擬用四路檢測，將四路傳感器分別置于光柵莫爾條紋的每1/4周期處，可以檢測出四路相位分別相差90°的正余弦信號；信號處理電路將四路信號分為相位差為180°的兩組，通過差分放大電路去除了信號中的共模噪聲，并使信號中不包含系統(tǒng)由環(huán)境引起的干擾，每組信號分別引入一個與信號本身直流分量大小相同的直流信號，通過減法放大電路去除信號的直流分量，最后再經(jīng)過放大濾波后達到幅值較為適中、干擾較低的信號。3. 模擬光柵信號發(fā)生裝置：為了檢測電路在

10、接收高頻信號時能否準確對信號處理，用一個高頻變化的光源來檢測電路的性能，此發(fā)生裝置原理是用兩個直流電機分別帶動一個圓碼盤，處于平行相對高速轉(zhuǎn)動，每秒鐘光源變化的頻率與光柵相近，光源從兩個碼盤的一邊投射到另一邊，給光電二極管接受，再將信號送入電路中處理，利用示波器觀察信號的失真情況以判斷電路處理信號的性能，以便對電路做出相應調(diào)整。4. 信號解調(diào)處理模塊：基于Labview軟件，對得到的相位調(diào)制信號進行解調(diào)，擬用軟件實現(xiàn)信號的辯向與細分，通過得到的U0反求出精度較高的位移x。每個模塊都設計完畢后，對整體的系統(tǒng)進行構(gòu)造，主要是結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)化設計，使系統(tǒng)達到結(jié)構(gòu)簡便、測量快速的要求。系統(tǒng)搭建完畢后，進

11、行實際測試，對系統(tǒng)進行誤差分析與修正，最后使系統(tǒng)的精度達到最佳。主要設備、儀器：1. 光柵尺和指示光柵；2. LED和LED光通量驅(qū)動電路；3. 準直透鏡組；4. 讀數(shù)頭（光電傳感器和信號處理電路）；5. 信號解調(diào)處理系統(tǒng)（Labview軟件）；6. 高精度工作臺。材料： 1. 電路材料：高速運算放大器、貼片電容、貼片電感、貼片電阻、滑動變阻器、電源轉(zhuǎn)換芯片若干；2. 光路材料：準直透鏡組若干；3. 機械材料：光柵模擬信號發(fā)生裝置支架、LED支架、運動導軌。-3-五關(guān)鍵問題，現(xiàn)有條件及解決辦法：關(guān)鍵問題：1. LED正、余弦變化光通量信號的驅(qū)動電路；2. 信號的相位調(diào)制及解調(diào)?，F(xiàn)有條件：1.

12、LED光源、電源驅(qū)動模塊；2. 信號調(diào)制電路、Labview軟件解調(diào)分析。解決方法：1. 對于LED光源光通量的控制，可以利用電流變化來驅(qū)動LED光通量的變化，因此可以設計一個功率可調(diào)的電源模塊來給LED供電，選擇LED光通量隨電流變化的近線性區(qū)域段，對LED供給呈正、余弦規(guī)律變化的電流，以實現(xiàn)光通量的正、余弦變化。2. 信號調(diào)制電路的原理：在兩光路中，每光路有四個光電探測器分布于莫爾條紋的每1/4周期處，分別讀出+sin、+cos，-sin、-cos四路相位依次相差90°的信號，分為+sin和-sin、+cos和-cos兩組相位分別相差180°的信號，通過運算放大器的差分

13、放大電路，便可將信號中的共模干擾以及環(huán)境導致的系統(tǒng)誤差去除，得到兩路相差90°的正弦和余弦信號；正、余弦信號再經(jīng)過放大濾波等電路的處理，便可得到兩組低噪聲、幅值適中的正弦與余弦信號。此時，讀數(shù)頭的位移體現(xiàn)在正余弦信號的相移上，通過乘法器將信號相乘，得到KeUmsintcos(x/W)和KeUmcostsin(x/W)，再將這兩路信號相加，便可得到一個和位移x成正比的相移變化信號U0=KeUmsin(wt+x/W)，其中W是光柵的柵距。解調(diào)的過程是接受數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行辨向細分，通過公式用已知的U0反求位移值x。-4-六進度安排及完成畢業(yè)論文日期：已完成進度：模擬光柵信號發(fā)生裝置設計 讀數(shù)頭信號的相位調(diào)制與處理電路設計進度安排：預計2012年6月到7月，利用模擬光柵信號發(fā)生裝置對