光柵莫爾條紋細分技術(shù)研究

1、編號20130921114 本科生畢業(yè)設計（論文）光柵莫爾條紋細分技術(shù)研究Study on the subdividing technique for morie fringes of grating學 生 姓 名高飛專 業(yè)光電信息工程學 號0921114指 導 教 師趙馨分 院光電工程分院2013年 6月長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計摘 要光柵是一種精密測量裝置，測量原理是以光柵移動形成的莫爾條紋為基礎。介紹輸出正弦信號和方波信號的光柵在位移測量中脈沖細分的常用方法，分析其中兩種方法的電路與波形并對其進行實驗，驗證細分原理的正確性。本文對莫爾條紋細分技術(shù)進行了深入研究，提出了提高細分精度和

2、分辨力的解決方案。從基本原理上歸納總結(jié)實際應用中各種細分方法的實現(xiàn)途徑和特點。 重點對莫爾條紋形成和特點進行研究并對細分精度影響因素進行理論分析；在常規(guī)信號調(diào)理的基礎上，通過對電路處理系統(tǒng)進行分析，可極大提高細分精度，從而提高光柵傳感器的精度關(guān)鍵詞：光柵 莫爾條紋 細分 ABSTRACTGrating is one measuring device of high precision, and its measuring principle is based on Morie fringes which is created by grating moving. Introduces the

3、common methods which the grating of sinusoidal and square outputs utilizes in pulses subdividing during displacement measuring, and specially analyzes circuits and waveforms of two methods .Finally，one experiment is done on the two methods , and it proves the correctness of subdividing principleThe

4、formation and characteristics of Moire Fringes is studied perfectly and how to improve the subdivision precision and distinguishment are put forward in this thesis. The realizations and the characteristics of various subdivision methods according to the principle are summarized first.The tangent sub

5、division method of Moire Fringe is studied with emphasis and the factors which influence the subdivision precision are analyzed theoretically. Improving the accuracy of grating sensor by the analysis of circuit processing system Key Words: Grating Moire fringes Subdivision 目 錄第一章 緒 論11.1引言11.2國內(nèi)外的研究

6、現(xiàn)狀1國外光柵技術(shù)研究概況2國內(nèi)光柵研究概況21.3本課題研究的目的和意義3第二章 莫爾條紋原理及光柵傳感器42.1 光柵的基礎知識42.2 莫爾條紋的形成52.3 莫爾條紋的特點6誤差平均效應7運動對應關(guān)系7位移放大作用72.4 莫爾條紋信號預處理7信號調(diào)理7光強補償82.5光柵傳感器9第三章 電路及處理系統(tǒng)原理123.1 差分放大原理123.2光柵傳感器辯向原理133.3條紋細分技術(shù)17結(jié) 論32參考文獻33致 謝34長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設計第一章 緒 論1.1引言 精密測量技術(shù)是機械工業(yè)發(fā)展的基礎和先決條件之。從生產(chǎn)發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術(shù)的發(fā)展水平相

7、關(guān)的。由于有了千分尺類量具，使加工精度達到了0.01mm；有了測微比較儀，使加工精度達到了1m左右；有了圓度儀等精密測量儀器，使加工精度達到了0.1m；有了激光干涉儀，使加工精度達到了0.01m。目前國際上機床的加工水平已能穩(wěn)定地達到1m的精度，正在向著納米級的加工水平發(fā)展，表面粗糙度的測量則向亞納米級的水平發(fā)展。特別是20世紀60年代激光的問世以及后來的計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，給精密測量技術(shù)及其測量設備增添了無限生機和活力，極大地加速了它的發(fā)展。測量原理和技術(shù)不斷創(chuàng)新，測量器具和設備日新月異。測量方法和操作越趨簡明，為科學發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟繁榮和社會進步做出了越來越大的貢獻。 隨著測量技術(shù)的

8、飛速發(fā)展，對于精密測量儀器的要求越來越高。以計量光柵技術(shù)為基礎的精密測量器件已成為現(xiàn)代高精度測量系統(tǒng)的主導。計量光柵的核心是光柵莫爾條紋技術(shù)，它是以光柵(長光柵、圓光柵和編碼盤)為位移基準，以莫爾條紋為技術(shù)基礎對幾何位移量(長度和角度)進行精密測量的一門學科。光柵莫爾條紋測量技術(shù)是集光、機、電于一體的數(shù)字位移傳感技術(shù)，它采用光電轉(zhuǎn)換可將機械位置信息轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號輸出，具有精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好、非接觸、無磨損、抗干擾能力強等優(yōu)點，可實現(xiàn)對角度、速度和相關(guān)機械物理量的測量，廣泛應用于坐標測量機、精密機床等高精度位置測量領(lǐng)域1。 1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1950 年德國 Heidenh

9、ain首創(chuàng) DIADUR 復制工藝，使得制造高精度、價廉的光柵刻度尺成為現(xiàn)實，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。半個多世紀以來，世界各國都在致力于發(fā)展高精度位置測量技術(shù)，研究開發(fā)新型的測量元件和信號細分技術(shù)。到目前為止，人們所公認并得到廣泛應用的位置測量技術(shù)是計量光柵、感應同步器、磁柵、容柵、球柵和激光等。在檢測系統(tǒng)中由于光柵測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、使用方便、價格適中，和其他測量系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。到上世紀90年代，國際市場上數(shù)控、數(shù)顯機床和測量機上80%以上的測量系統(tǒng)都采用光柵，國內(nèi)外光柵市場競爭比較激烈，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮2。 為了進一步提高光柵測量系統(tǒng)的分辨率，

10、國內(nèi)外研究開發(fā)了多種不同的細分技術(shù)，主要包括機械細分法、光學細分法和電子細分法。在上世紀80年代，由于微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，使采用電子細分和數(shù)字化處理的辦法對測量傳感器的節(jié)距(信號周期)進行電子細分和誤差修正，以提高測量系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)準確度及動態(tài)響應速度成為可能，光柵莫爾條紋的電子細分得到廣泛應用。相繼出現(xiàn)基于莫爾條紋信號幅值調(diào)制、相位調(diào)制、微機細分、CCD成像細分及光纖法細分等細分技術(shù)。 國外光柵技術(shù)研究概況 德國 HEIDENHAIN 公司是當今世界研制和生產(chǎn)直線光柵尺、角度編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)顯裝置和數(shù)控系統(tǒng)等產(chǎn)品的著名跨國公司。該公司在研發(fā)、生產(chǎn)和測試等各個環(huán)節(jié)都

11、嚴格進行控制，測試項目涉及靜態(tài)、動態(tài)精度，細分誤差，沖擊和振動，啟動性能，環(huán)境試驗，防護等級，電磁兼容等多個項目，該公司內(nèi)部標準都高于通用工業(yè)標準的要求。在尺體的制造上，HEIDENHAIN 采用影像測量原理的柵距為20m和40m；采用干涉測量原理的柵距為4m 。在信號輸出方式上，過去的光柵全部都采用11App的正弦電流信號輸出，現(xiàn)在改為輸出的正弦信號：1Vpp電壓信號，傳輸距離150 m；機床用的光柵尺輸出信號改為TTL方波，傳輸距離50 m，采用通用的D型插頭。西班牙FAGOR 公司1975年制造出第一臺數(shù)顯表，從此跨入光柵數(shù)顯、數(shù)控行業(yè)。FAGOR玻璃光柵尺的柵距為20m，最大測量長度3

12、m，準確度±3m和±5m，分辨率從 5m到0.1m，最大速度120m/min；金屬反射式鋼帶尺柵距是40m和100m，準確度分別為±5m和±10m，測量長度達到30m，最大速度達到120m/min。英國RENISHAW的光柵尺是鍍金的鋼帶光柵，測量長度可達70m，光柵尺可按設備的具體需要剪切至合適的長度，其背面有自粘的特別設計，能快速安裝。光柵尺的柵距有20m和40m兩種，讀數(shù)頭中有內(nèi)置細分卡可以對柵距進行4400倍頻細分，分辨率從5m、1m、0.5m到50nm，最大測量速度180600m/min。若配置外置細分卡分辨率可以到20nm和10nm，相應的速

13、度分別為300mm/s 和150mm/s。光柵尺的精度是任意1m長度上為±3m。 日本SONY 公司生產(chǎn)的用于反饋的磁柵尺SR33/34 有較高水平，輸出信號周期40m 的正弦波，分辨率0.05m 1m，準確度±3m，最大速度 150m/min，測量長度從70mm2040mm，防護等級可以達到防水的IP65。SONY 公司用于大型機床的測量長度的長磁柵尺MSS-101水平也很高，測量長度從 3200mm30m，分辨率為0.5m，最大速度為30m/min，準確度為±5m 。SONY的絕對式磁柵尺2005年夏天已推出。 國內(nèi)光柵研究概況 我國在光柵方面的研究起步較晚，

14、加之國外技術(shù)的封鎖，研究的進程也比較緩慢。在“七五”、“八五”期間，計量光柵的研究被國家列為重點發(fā)展項目，進入上個世紀九十年代，隨著高精數(shù)控機床、精密測量儀器在機械、輕工、冶金及國防等領(lǐng)域的廣泛應用，為計量光柵等精密測量裝置的研究、開發(fā)提供了一個良好的契機。 1.國內(nèi)光柵尺研制概況 中國大陸年生產(chǎn)光柵尺銷售額超過人民幣一千萬元以上的企業(yè)有長春光機、信和、怡信、萬濠、貴陽新豪。玻璃光柵尺的最大測量長度為3m，準確度已達到±15m、±10m 、±5m和±3m，分辨率為5m和1m，速度為 60m/min。年生產(chǎn)20萬支光柵尺，并有30%出口，主要應用于機床數(shù)顯

15、和測量儀器。圓光柵編碼器國內(nèi)最大的生產(chǎn)廠家是長春一光，有比較強的開發(fā)、設計、生產(chǎn)能力和銷售網(wǎng)絡，年產(chǎn)量25萬套。各企業(yè)的銷售額都在人民幣1億元左右，人平均產(chǎn)值1520萬元。 2.國內(nèi)信號細分和數(shù)字化電子裝置研究概況 目前，國內(nèi)研究和開發(fā)光柵檢測系統(tǒng)的各個單位都在研制各種經(jīng)濟型的位置測量產(chǎn)品，部分已批量投放市場，滿足國內(nèi)機床配套及技術(shù)改造的需要。這部分產(chǎn)品一般分辨率為 1m, 5m, 10m，精度為±5m±20m，同時，也都在以經(jīng)濟型光柵作為測量傳感器的前提下，為提高系統(tǒng)的分辨率而進行莫爾條紋電子細分新技術(shù)的研究。1992年，沈陽工業(yè)大學數(shù)顯技術(shù)研究所設計研制了新型高精度的光

16、柵數(shù)顯裝置，精度達到0.1m。浙江大學、重慶大學研究出新型的莫爾條紋時空脈沖細分技術(shù)，精度達到0.1m；西安交通大學、清華大學、合肥工業(yè)大學等科研單位也正在致力于微機細分技術(shù)的研究，以提高測量系統(tǒng)的精度。 341.3本課題研究的目的和意義 光柵作為精密測量的一種工具，已在精密儀器、坐標測量機、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 光柵測量技術(shù)是以光柵形成的莫爾條紋為基礎的。由于兩塊疊放在一起的光柵的相對移動，所以會產(chǎn)生與之同步移動的莫爾條紋信號。光柵盤上黑白刻線的相對移動，會產(chǎn)生光強度周期性的變化，此光信號經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換成為周期性的電信號。 目前我國對于光柵測量技術(shù)的水平與國際先進水平還存在一

17、定的差距，因此。以較為經(jīng)濟的方式實現(xiàn)光柵唯一高精度測量對于推動我國的精密測量技術(shù)，精密加工技術(shù)的發(fā)展具有普遍意義，光柵位移測量系統(tǒng)的研究也將推動我國光柵測量技術(shù)水平的提高。光柵莫爾條紋技術(shù)是一門既古老又現(xiàn)代的測量技術(shù)。對莫爾條紋的研究最早可以追溯到十九世紀末期，二十世紀五十年代以后開始應用于實際測量，并逐步對莫爾條紋的形成機理開展了廣泛的研究，至今已形成了三種主要的理論：基于陰影成像原理：認為由條紋構(gòu)成的軌跡可表示莫爾條紋的光強分布；基于衍射干涉原理：認為由條紋構(gòu)成的新的光強分布可按衍射波之間的干涉結(jié)果來描述；基于傅立葉變換原理：認為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項所組成。這三種理論都可以解釋

18、莫爾條紋現(xiàn)象。一般來說，光柵刻線較疏的可用遮光陰影原理來解釋，而光柵刻線較密的用衍射干涉原理來解釋則更為恰當。莫爾條紋形成機理是所有光柵式測量系統(tǒng)的理論基礎，深入研究光柵莫爾條紋形成機理，分析討論它的結(jié)構(gòu)及光強分布規(guī)律，這對光電位移傳感器的結(jié)構(gòu)設計、改善莫爾條紋光電信號質(zhì)量等都具有指導意義。第二章 莫爾條紋原理及光柵傳感器莫爾條紋是光柵測量的基礎，清楚了解莫爾條紋的形成、特點及信號必要的硬件處理是對其進行高倍數(shù)高精度細分的前提條件。 2.1 光柵的基礎知識 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線是透明和不透明的，或是對光反射的和不反射的。圖2.1所示的是一塊黑白型

19、長光柵，平行等距的刻線稱為柵線。設其中透光的線寬為a，不透光的縫寬為b，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的縫寬，即a = b，也可刻成ab = 1.1：0.9。圖中d = a + b稱為光柵柵距（也稱光柵節(jié)距或稱光柵常數(shù)），它是光柵的一個重要參數(shù)。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。對于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。圖2.1 黑白型長光柵在幾何量精密測量領(lǐng)域內(nèi)，光柵按其用途分長光柵和圓光柵兩類?？坍嬙诓Ａ系墓鈻欧Q為長光柵，也稱光柵尺，用于測量長度或幾何位移。根據(jù)柵線型式的不同，長光柵分為黑白光柵和閃爍光柵

20、。黑白光柵是指指對入射光波的振幅或光強進行調(diào)制的光柵。閃爍光柵是指對入射光波的相位進行調(diào)制，也稱相位光柵。根據(jù)光線的走向，長光柵還分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是將柵線刻制在透明材料上，常用光學玻璃和制版玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有強反射能力的金屬上，如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜（如鋁膜），光柵也可刻制在鋼帶上再粘結(jié)在尺基上。 刻畫在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻畫的方向，圓光柵分為兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的小圓相切。按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。計量光柵的分類可如圖2.2

21、所示 圖2.2 計量光柵的分類圖2.2 莫爾條紋的形成 莫爾即法語Moire音譯，意思是在水面上產(chǎn)生的波紋。兩塊光柵迭合時，也產(chǎn)生類似的波紋花樣，故由此得名。 并不是任意兩塊光柵重疊都能看到莫爾現(xiàn)象，由多個光柵在不同情況下重疊形成的莫爾圖案也并不是全都能看到，隨著各光柵之間的角度或相對位置發(fā)生改變后，形成的莫爾圖案的形狀、大小和位置也會改變。圖2.3(a)為長光柵結(jié)構(gòu)，光柵上平行等距的刻線稱為柵線，其中透光的縫寬為b ，不透光的縫寬為a。一般情況下，透光的縫寬與不透光的縫寬相等，即a = b，稱為光柵柵距（也稱光柵常數(shù)或光柵節(jié)距）；對圓光柵盤而言，更多使用柵距角的概念，即圓光柵盤上相鄰兩刻線所

22、夾角。 如果柵線間的夾角為，則光柵組透光部分呈菱形。當有光源照射光柵時，綜合效果就是一組等間距亮帶形成了莫爾條紋，圖2.3(b)所示。(a)長光柵結(jié)構(gòu) （b）莫爾條紋的形成圖2.3 莫爾條紋產(chǎn)生原理當兩塊迭合光柵沿著垂直于柵線方向相對運動時，莫爾條紋便沿著與柵線近似的方向作相應的移動，兩塊光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。如果不考慮光柵的衍射作用，又設它們的柵距相等，縫寬和線寬都相等，則根據(jù)簡單的避光原理，在線重疊處兩塊光柵的柵線完全避光，透光量為0，在縫重疊處兩塊光柵柵線不彼此避光，通光量最大，此時光通過兩光柵后的能量分布將是一個三角波，但實際上由于光的衍射作用，光能量分布是一

23、個近似的正弦波。不難理解，當很小時，莫爾條紋的移動方向與光柵相對移動方向近似垂直,產(chǎn)生莫爾條紋的寬度W 為： （2.1）莫爾條紋的移動量D及主、副光柵間相對位移x之間的關(guān)系為： （2.2）式中放大倍數(shù)。單個光電元件只能接收固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而不能判別位移方向，而如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。 為達到這一目的，通常在指示光柵每隔1 /4莫爾條紋寬度處放置一個光電元件，即四個光電元件間距為W /4，這樣由光電元件得到相位相差 /2整數(shù)倍的四路信號

24、，經(jīng)差動放大后得到正余弦信號和，兩路信號放大整形后送入電路，通過判斷相位的相對導前和滯后實現(xiàn)辨向。正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，實現(xiàn)位移量的準確測量。在理想狀態(tài)下，光電元件輸出電壓u與光柵位移x之間關(guān)系可表達為： （2.3）其中v為光柵移動速度，為光柵柵距， A為電壓幅值。由式（2.3）可知，當信號電壓幅值一定時，光電元件輸出為理想正弦波，但由于光柵付相當于諧波發(fā)生器，且照明光源、光柵間隙、光柵的衍射作用、光電元件特性等影響，光電元件輸出信號含有高次諧波，殘余的直流電平及直流電平變動造成直流電平漂移，多路信號幅值的不一致性以及多路信號相位不正交

25、，導致光電元件輸出不是理想的正弦波。2.3 莫爾條紋的特點 莫爾條紋對微小位移和微小轉(zhuǎn)動非常敏感，只要互相重疊的兩幅圖案之間的相對位置有一點點的變動,都可能帶來莫爾圖案的十分劇烈的變化，因此可實現(xiàn)對輸入信號（位移量）的精確轉(zhuǎn)換。 莫爾條紋具有幾點重要特征。 誤差平均效應莫爾條紋測量與一般線紋尺式測量是不同的。線紋尺的測量過程是對一根刻線進行瞄準，因此任何一個刻線間隔的誤差都將1:1地反映到測量結(jié)果中去。而在光柵式測量中，光電元件接收的是一個區(qū)域中所含的柵線形成的莫爾條紋，由光柵的大量柵線共同形成，個別柵線的柵線誤差或者個別柵線的斷裂或其它疵病，對整個莫爾條紋的位置及形狀的影響將很微小，即莫爾條

26、紋在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響。這時，數(shù)條莫爾條紋所指示位置的平均標準差和單根柵線所指示位置的標準差之間的關(guān)系可由下式表示： （2.4）其中n為參與形成莫爾條紋的柵線數(shù)。 可見莫爾條紋位置測量的可靠性大為提高，個別柵線的柵距誤差對測量結(jié)果的影響被減小，光柵式測量可以有更高的精度。 運動對應關(guān)系莫爾條紋的移動量、移動方向與兩光柵的相對位移量、位移方向的對應關(guān)系。當主光柵沿與柵線垂直的方向相對移動一個柵距d 時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動一個莫爾條紋的寬度W；在兩塊光柵的柵線交角 一定的條件下，莫爾條紋的移動方向與光柵的位移方向相同。因此，測量時可以根據(jù)莫爾條紋的移動量和移

27、動方向判定光柵的位移量和位移的方向。 位移放大作用 由于兩光柵的夾角很小，光柵柵距d 和莫爾條紋寬度W 有如下近似關(guān)系: （2.5）可以看出,莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為1 /。當很小時，d和W的比值很大，所以盡管用肉眼難以觀察到柵距，但莫爾條紋卻清晰可見，這一點對于布置接收莫爾條紋信號的光電器件來說非常有利。 2.4 莫爾條紋信號預處理 信號調(diào)理光電元件接受到的光柵衍射后的莫爾條紋，將其轉(zhuǎn)換為電信號，直接獲得的莫爾條紋電信號非常微弱，通常為微安級的電流信號，幅值小、功率小，無法滿足莫爾條紋檢測和細分要求，因此要實現(xiàn)細分必須對電信號進行信號調(diào)理，主要為信號的放大和濾波。 信號調(diào)理電路如圖2

28、.4所示，利用運算放大器構(gòu)成微電流放大轉(zhuǎn)換電路，該電路具有較大的放大倍數(shù)及較寬的可調(diào)范圍，輸出電壓： （2.6）當可調(diào)電阻R1=4.7K時，T 形電路的等效電阻Rf =3.2K饋回路跨接0 .1F的鉭電容，降低放大過程中的高頻噪聲，電容在電路中有100%的負反饋。調(diào)零電路可以有效消除光電元件暗電流及運放的零點漂移。圖2.4 莫爾條紋信號調(diào)理電路為進一步提高系統(tǒng)檢測的靈敏度，信號放大后應采用有源二階低通濾波器濾除莫爾條紋信號中的高頻噪聲分量，電路中的運放應具有輸入阻抗高、輸出阻抗低及高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性等特點，這樣可以保證有源濾波器的簡單構(gòu)成和良好性能。 光強補償莫爾條紋信號細分之前除了要

29、進行必要的信號調(diào)理，光源本身的穩(wěn)定性也是影響細分精度的重要因素，因為光強的偏移會對測量精度帶來系統(tǒng)誤差，一般說來，光源在長期工作狀態(tài)下時的光強波動率應不超過±5%。 光柵測量系統(tǒng)一般采用N 溝道結(jié)型場效應管(JFET)實時改變放大電路的增益，來抑制光強的波動。原理是采用場效應管對管連接方式，取一束不經(jīng)光柵衍射的直接照射到光電元件上的光束作為參考光源，參考光源的波動規(guī)律與所檢測的莫爾條紋相同，補償電如圖2.5所示：圖2.5 光強補償電路放大電路增益： （2.7）當光強增大時，參考光源信號INPUT相應增大，引起JFET的漏源電阻增大，放大倍數(shù)K下降，從而使輸出信號OUTPUT下降；反之

30、光強減小時，放大倍數(shù)K增大，從而使輸出信號OUTPUT增加。這樣當光強發(fā)生變化時，補償電路可實時地抑制因光強波動而產(chǎn)生的莫爾條紋信號波動。 2.5光柵傳感器 光柵傳感器由光柵、光路、光電元件和轉(zhuǎn)換電路等組成。下面以黑白投射光柵為例說明光柵傳感器的工作原理。如圖2.6所示。 1、光源2、聚光鏡3、主光柵4、指示光柵5、光電元件圖2.6 黑白投射光柵光路主光柵比指示光柵長得多，主光柵與指示光柵之間的距離為d，d可根據(jù)光柵的柵距來選擇，對于每毫米25線到100線的黑白光柵，指示光柵應置于主光柵的“費涅耳第一焦面上”，即 (2.8) 式中：光柵柵距； 有效光的波長； 兩光柵的距離；主光柵和指示光柵在平

31、行光的照射下，形成莫爾條紋。主光柵是光柵測量裝置中的主要部件，整個測量裝置的精度主要由主光柵的精度來決定。光源和聚光鏡組成照明系統(tǒng)，光源放在聚光鏡的焦平面上，光線經(jīng)聚光鏡成平行光投向光柵。光電元件主要有光電池和光敏晶體管。它把由光柵形成的莫爾條紋的明暗強弱變化轉(zhuǎn)化為電量輸出。光電元件最好選用敏感波長與光源相接近的，以獲得較大 的輸出，一般情況，光敏元件的輸出都不是很大，需要同放大器、整形器一起將信號變?yōu)橐蟮妮敵霾ㄐ巍?經(jīng)過前面的分析可知，莫爾條紋是一個明暗相間的帶。從圖2.7看出，兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。 正

32、最大 負最大 正最大 a b c d e f g 位移x圖2.7光柵位移與光強、輸出電壓的關(guān)系主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋就變化一個周期，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的變化變成近似的正弦波形的電信號。電壓小的相應于暗條紋，電壓大的應于明條紋。它的波形看成是一個直流分量上疊加一個交流分量。 (2.9)式中：柵距； 主光柵與指示光柵間瞬間位移；U0直流電壓分量；Um交流電壓分量幅值；輸出電壓；由式(2.9)可見，輸出電壓反映了瞬時位移的大小，當x從0變化到W時，相當于電角度變化了360°，如采用50線/mm光柵時，若主光柵移動了x毫米，即50x條線將此條數(shù)用計數(shù)器記錄，就可知道移動的

33、相對距離。第三章 電路及處理系統(tǒng)原理3.1 差分放大原理光柵傳感器的四路輸出信號(正弦，負正弦，余弦，負余弦)含有直流成分，采用差動放大器去掉直流電平。四路信號表達式如下: （3.1）這里采用差動放大器 LM324N , 分別將兩路信號送入放大器的輸入端，進行相減運算，得 （3.2） （3.3）當則上式變?yōu)?（3.4） （3.5）差動放大器輸出一個放大的不含直流成分的正弦波信號。LM324N是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖4.1所示的符號來表示。兩個信號輸入端中，9(-)為反相輸入端

34、，表示運放輸出端8(0UT)的信號與該輸入端的相位相反;10(+)為同相輸入端，表示運放輸出端8(OUT)的信號與該輸入端的相位相同，放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻R1、R2決定，Av=-R2/R1負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖3.1中所給數(shù)值，放大倍數(shù)為1,此電路僅用做減法電路。 LM324N的其特點是:可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作;四個運放的一致性很好;輸入偏流電阻是溫度補償?shù)?，不需外接頻率補償;輸出電平與數(shù)字電路兼容。單電源供電為3VDC30VDC，雙電源供電為，這里電阻都取10k阻值，將input1和input3(正弦信號)送入差動運算放大器，輸出為放大的不含

35、直流成分的正弦波信號。同理我們將input2和input4(余弦信號)送入差動運算放大器，輸出為放大的不含直流成分的余弦波信號。圖3.1差分放大電路3.2光柵傳感器辯向原理在實際應用中，大部分被測物體的移動往往不是單向的，既有正向運動，也可能有反向運動。單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移3。設主光柵隨被測零件正向移動10個柵距后，又反向移動一個柵距，也就是相當于正向移動了9個柵距?？墒?，單個光電元件由于缺乏辨向本領(lǐng)，從正向運動的10個柵距得到10個條紋信號，從反向運動的一個柵距又得到一個

36、條紋信號，總計得到11個條紋信號。這和正向運動11個柵距得到的條紋信號數(shù)相同。因而這種測量結(jié)果是不正確的。如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。完成這種辨向任務的電路就是辨向電路。為了能夠辨向，應當在相距0.25B的位置上設置兩個光電元件1和2，以得到兩個相位互差90°的正弦信號，然后送到辨向電路中去處理，辨向電路原理框圖如圖3.2所示。 圖3.2 辨向電路原理圖主光柵正向移動時，莫爾條紋向上移動，這時光電元件1和2分別輸出的正弦電壓波形u1和u2，而且u1超前u290°。u1和u2

37、經(jīng)整形放大后得到兩個方波信號u1'和u2 '，且u1'仍超前u2 ' 90°。 u1"是u1'反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"兩個方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖3.2分析可知，對于與門1，由于u1'w處于高電平時，u2 '總是低電平，因而與門1輸出為零。對于與門2，u1"w處于高電平時，u2 '也正處于高電平，因而與門2有信號輸出。當主光柵反向移動時，莫爾條紋向下移動。這時光電元件1和2分別輸出的正弦電壓波形u1滯后u2 90°。u1

38、和u2經(jīng)整形放大后得到兩個方波信號u1'和u2 '，且u1'仍滯后u2 '90°。同樣，u1"是u1反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"兩個方波經(jīng)微分電路后得到的波形。同樣由圖3.2分析可知，對于與門1，由于u1'w處于高電平時，u2 '也處于高電平，因而與門1有信號輸出。對于與門2，u1"w處于高電平時，u2 '卻處于低電平，因而與門2無輸出。具體辨向電路各點波形圖如圖3.3所示。正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖

39、數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向，因而可以進行正確的測量。 （a）正向移動的波形 （b）反向移動的波形圖3.3 辨向電路各點波形圖 在實際的設計電路中，辨向電路的設計是與四細分電路的設計相結(jié)合起來的，也就是說，先是四倍頻細分電路，其輸出的方波信號再進入辨向電路。四倍頻細分電路輸出的方波信號互差90°。具體辨向電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 辨向電路原理圖A和B是五倍頻細分電路所產(chǎn)生的兩路相差90°的方波信號。A、B A和B分別是四倍頻細分電路所產(chǎn)生的方波信號，DG5和DG10是集成電路74LS54四與或非門。由于在正向移動時，U01有信號輸出，U02沒有信號輸出，這樣既可以實

40、現(xiàn)了變向，又可以實現(xiàn)了20倍頻細分。當反向移動時，U01沒有信號輸出，U02有信號輸出。波形如圖3.5所示4。(a) 正向移動時的波形圖（b）反向移動時的波形圖圖3.5 辨向電路各點的波形圖3.3條紋細分技術(shù) 高精度的計量和檢測，通常要求長度精確到1m 0.1m，如果以光柵的柵距作為計量單位，則只能技術(shù)整條紋，其數(shù)值遠大于上述的要求5。例如，光柵為每毫米250線時，移動一個柵距的位移量為4m，即相當于最小讀數(shù)值0.1m的40倍。要達到上述要求的準確度數(shù)值，長光柵柵線密度必須達到每毫米千條線到萬條線。就目前工藝水平而言，每毫米千條線則無法實現(xiàn)，也沒有必要?？叹€密度如此大的光柵是不適宜作標準器的。

41、因此，在選取合適的光柵柵距的基礎上，對光柵柵距細分，讀取柵距的分數(shù)值，即可得到所需要的最小數(shù)值，提高“分辨”能力6。 光柵細分的方法有三種，一是機械細分法（增加光柵刻線密度）。這種方法國外曾采用過，但由于該法受到工藝限制，所以，一般來說，對于比每毫米250條更細的光柵是不適用的。二是電子細分法。這種細分方法是最通用的。采用電子技術(shù)對交變電信號進行內(nèi)插、補插的方法提高了技術(shù)脈沖的頻率，故電子細分又稱為倍頻。三是機械-光學的方法。采用這種方法細分時，位移的分數(shù)值通過微動的指示光柵達到預定的基準相位的位置，即所謂“歸零而測得”，又稱為零位法，其缺點是每次讀數(shù)必須歸零。但電子系統(tǒng)簡單，細分力強，精度也

42、高7。在前面討論的光柵測量原理中可知，以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細分技術(shù)。所謂細分，就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減小脈沖當量，如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。下面介紹電子細分法中常用的幾種細分方法：1、直接細分 直接細分又稱位置細分8。直接細分常用的細分數(shù)為4。四細分可用4個依次相距B/4的光電元件，這樣可以獲得依次相差90°的4個正弦交流信號。用鑒零器分別鑒取4個信號的零電平

43、，即在每個信號由負到正過零點時發(fā)出一個計數(shù)脈沖。這樣，在莫爾條紋的一個周期內(nèi)將產(chǎn)生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分。四細分也可用相距B/4的位置上放兩個光電元件來完成。兩個光電元件輸出兩個相位差90°的正弦交流信號U1和U2，而U1、U2再分別通過各自的反相電路，從而得到U3=-U1，U4 = -U2，這樣也可以獲得依次相差90°相角的四個正弦交流信號U1、U2、U3 和U4。同上述一樣，經(jīng)電路處理也可以在移動一個柵距的過程中得到4個等間隔的計數(shù)脈沖，從而達到四細分的目的。（a）每變化一周的一個脈沖數(shù)(b) 每變化一周的四個脈沖數(shù)圖3.6 細分和未細分的波形比較使用單個光電元件為

44、進行細分時的波形和脈沖數(shù)見圖3.6(a)，四細分時的波形和脈沖數(shù)見圖3.6(b)。 位置細分法的優(yōu)點是對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。缺點是由于光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。 由位置細分的分析可見，細分的關(guān)鍵是在莫爾條紋一個周期內(nèi)得到彼此相差同一相位角的若干個正弦交流信號，從而通過電路處理，一個莫爾條紋周期就可得到若干個計數(shù)脈沖，從而達到細分的目的。 2.電阻電橋細分法（矢量和法）如圖3.7所示，由同頻率的兩個信號源u1和u2及電阻R1、R2組成電橋9，其輸出電壓為： (3.6)圖3.7 電阻電橋細分原理若、 ，同時又設 ，則 (3.7) 用此信號去觸發(fā)施

45、密特電路，當（或）時，施密特電路被觸發(fā)（過零觸發(fā)），發(fā)出脈沖信號。角按細分數(shù)選擇，即事先安排好之值。3、電阻鏈細分法電阻鏈細分本質(zhì)上屬于電阻電橋細分，只是在結(jié)構(gòu)上略有差異，實際應用的場合也有所不同10。 電橋細分是正、余弦模擬信號細分技術(shù)的基礎。 電阻鏈細分主要是實現(xiàn)對正、余弦模擬信號的細分，其工作原理是：將正、余弦信號施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點上得到幅值和相位各不相同的電信號。這些信號經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正、余弦信號的一個周期內(nèi)獲得若干計數(shù)脈沖，實現(xiàn)細分。如圖3.8所示，圖中u1和u2是光電元件輸出的兩路信號，分別對應于正弦信號和余弦信號。設電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈

46、兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esint， u2=Ecost a) 原理圖 b) 矢量圖圖3.8 電阻鏈分相細分結(jié)合實際要求的技術(shù)指標，由于選擇的光柵測微傳感器是50線的，所以要想達到1m的精度，必須對光柵測微傳感器輸出的信號進行放大后，產(chǎn)生sint、cost、-sint的信號進行20細分。根據(jù)細分的原理，先是對放大的信號進行五倍頻細分，五倍頻細分是采用電阻鏈細分的方法，具體的電路如圖3.9所示。 由圖3.9可知，通過電阻鏈得到了10個移相信號。根據(jù)等值細分的要求，移相角 = k*18°（k=0,1,2,3.9)。根據(jù)前面分析的計算公式，可以求得21RR的值為：0、0.32

47、49、0.7256、1.3764和3.0777。兼顧到電阻系列的標稱值，在實際電路中電阻值分別是18、24、33、56四種。圖3.9 電阻鏈五倍頻細分電路原理圖10個移相的正弦信號經(jīng)過10個電平比較器得到10路相位依次相差18°的方波。電壓比較器接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點具有不同的觸發(fā)電平，這個電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。再經(jīng)過異或門電路組合，獲

48、得在一個周期內(nèi)兩路相位差90°的占空比為1：1的五細分方波信號。五倍頻細分電路的工作波形如圖3.10所示11圖3.10 電阻鏈五倍頻細分電路的波形圖將五倍頻細分電路輸出的兩路方波信號A和B接至四倍頻電路的兩個輸入端，就可以組成一個20細分電路。具體的四細分實現(xiàn)電路如圖3.11所示。四細分電路的波形圖如圖3.12所示。圖3.11 四倍頻細分電路原理圖圖3.12 四細分電路的波形圖細分精度的高低取決于兩個因素：（1）細分電路的性能；（2）光柵信號的質(zhì)量。一方面，應當以可能獲得高質(zhì)量的光柵信號為前提，提出合適的細分數(shù)和細分精度要求；另一方面，不應當片面強調(diào)光柵信號側(cè)高質(zhì)量，因為光柵作為標準

49、器是不可能沒有誤差的。因此，要權(quán)衡兩個方面，以求得合理解決光柵細分的精度問題。電子細分對光柵信號有以下幾點要求： （1）光柵信號的正弦性； （2）光柵信號的等幅性； （3）光柵信號的正交性； （4）全光柵波形一致性； （5）共模電壓抑制； （6）反差；4、鑒相細分鑒相式細分是通過信號的相位差來模擬光柵系統(tǒng)的位移，然后對信號的相位差進行細分12。鑒相式細分的實現(xiàn)首先需要把被測信號調(diào)制成調(diào)相波。原理框圖如圖3.13所示，、是相位差90度的兩路正交信號，、。是引人的高頻載波信號，將它們相乘，按照三角函數(shù)中兩角和的公式然后相加，得到調(diào)相信號。 其計算公式如下 （3.8）其中光柵的機械位移角，x光柵傳感

50、器的相對位移量，d光柵的柵距。圖3.13鑒相式細分原理在這里已經(jīng)從空間信號參量變?yōu)闀r間信號參量，雖然在數(shù)值上仍然等于dx/2。然后將sin(t+)和進行比相，通過開關(guān)控制填充的脈沖數(shù)，進行相位跟蹤，從而完成細分。該方案細分數(shù)大，精度較高，對信易波形的正交性要求嚴格，電路比較復雜。適用于動態(tài)、靜態(tài)測量。這種方法的最佳之處在于將位移量這個時空信號轉(zhuǎn)變成相位信號，測量出相位的大小，即可推算出位移量。這種方法可以得到較高的細分數(shù)，通常為2001000。但是相位調(diào)試細分法對運動的均勻性要求較高。該方法要求調(diào)制信號的頻率遠遠高于傳感器輸出信號的頻率，否則，在動態(tài)測量中容易引入誤差。5、鎖相細分法鎖相環(huán)路1

51、3是一個能夠跟蹤輸人信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，在通訊、雷達、導航、測量等電子技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應用，鎖相倍頻器原理如圖3.14所示。鎖相倍頻器是鎖相環(huán)應用的一種。鎖相倍頻細分采用的是鎖相跟蹤倍頻器即鎖相環(huán)，它是由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器四部分組成。其功能是倍頻和鎖相跟蹤。所謂倍頻，即通過壓控振蕩器使輸出信號頻率是輸人信號頻率的N倍，所謂跟蹤，即使輸出信號的相位跟蹤輸人信號，并使兩者同步。圖3.14 鎖相倍頻器的原理圖鎖相細分法的原理是將分頻器的輸出信號與傳感器的輸出信號通過鑒相器處理后，控制壓控震蕩器輸出信號的頻率，壓控震蕩器的輸出即為所需的倍頻信號。由于壓控震蕩器輸出信號

52、的頻率為傳感器的信號頻率的N倍，因此必須通過一個N倍的分頻器分頻后才能送入鑒相器。這里的分頻器就是細分環(huán)節(jié)，細分數(shù)由分頻器的分頻數(shù)決定。當光柵移動時，信號相應發(fā)生變化，為了鑒別輸入信號的相位，并且每次比相都以前一個周期的信號相位為基準，那么將壓控振蕩器的輸出信號。進行N分頻后與光柵莫爾條紋信號比相。由于輸出信號F與莫爾條紋信號f是每周期比相一次，所以壓控振蕩器控制電壓也是每周期變化一次。若在某次比相時莫爾條紋信號相位變化則鑒相器輸出信號Ud=2K/N用它去控制壓控振蕩器，并恰當選取壓控振蕩器的顫動元件，使壓控振蕩器倍頻N倍，那么輸出信號相位剛好變化一個周期。若壓控振蕩器每一個周期輸出一個計數(shù)脈

53、沖，則當莫爾條紋信號變化一個周期時，壓控振蕩器便發(fā)出N個脈沖，從而實現(xiàn)光柵莫爾條紋信號的N細分14。鎖相細分法可以達到較高的細分數(shù)，但該方法對信號的勻速要求較高，因此在使用范圍上會受到一定的限制。采用純電子細分方法系統(tǒng)的硬件電路比較復雜。由于純硬件電子細分方法對信號的要求比較高，且調(diào)整復雜，所以硬件電子細分法無法應用于高分辨率的系統(tǒng)。6、微機細分技術(shù)隨著微機技術(shù)的發(fā)展，利用微型計算機通過數(shù)字計算進行細分的方法開始出現(xiàn)。微機細分技術(shù)15從原理上可以分為以下三類。與硬件相結(jié)合細分技術(shù)是在硬件電子細分法的基礎上，引入微型計算機以簡化電路結(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。此類細分系統(tǒng)中，微型計算機并不直

54、接進行信號細分，因此信號的細分分辨率還是由系統(tǒng)原有的硬件決定，但采用軟件代替速度判別電路，得到位移量和最大位移量等。時鐘脈沖細分技術(shù)是將位移信號的細分轉(zhuǎn)化為計時的方法，在信號的位移區(qū)間內(nèi)填入微機時鐘脈沖信號，根據(jù)所填的脈沖數(shù)目就可以確定出要求的位移。由于微機時鐘脈沖頻率或分頻數(shù)改變方便，大大簡化了硬件電路，避免了硬件電路中各種干擾帶來的影響，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定和可靠。然而由于速度誤差和信號相位誤差的存在，時鐘脈沖信號細分技術(shù)應用范圍受到相應限制。量化細分技術(shù)是通過傳感器輸出兩路正交的正弦信號，首先將一路信號經(jīng)放大整形后得到方波信號，計算機對方波信號的脈沖進行計數(shù)。同時將兩路正弦信號進行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)兩路信號的正負和大小，將一個信號周期細分為八個相位區(qū)間，再根據(jù)兩路正弦信號的絕對值之比查表確定細分數(shù)。如果需要進一步的細分，可在每個區(qū)內(nèi)再進一步細分。量化細分的倍頻數(shù)可根據(jù)A/D的位數(shù)設定，且細分倍數(shù)和精度較高，是目前應用較多的一種微機細分技術(shù)。微機細分技術(shù)充分利用了計算機