基于交流調(diào)制的光柵干涉條紋信號的細(xì)分技術(shù)及實現(xiàn)

儲玉芬

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，龍巖 364021）

0 引言

精密測量系統(tǒng)是儀器儀表、超精密加工、微型機(jī)電系統(tǒng)等制造領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。目前該領(lǐng)域應(yīng)用較廣、發(fā)展比較成熟的主要有激光干涉類位移傳感器和柵尺類位移傳感器，其測量原理都是通過對位移引起條紋移動的處理分析來實現(xiàn)位移的測量，一個周期的條紋信號代表一個柵距的位移或半個激光波長λ的位移[1]。在精度要求不高時,只需計算此信號變化的周期數(shù),即可求得光柵尺的相對位移[3]。但是,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對光柵信號的周期進(jìn)行計數(shù)遠(yuǎn)不能滿足精密測量和加工的需要[2]，要達(dá)到更高的精度，就需要對光柵信號進(jìn)行細(xì)分處理。傳統(tǒng)的細(xì)分方法是通過硬件電路來實現(xiàn)的,隨著精度的提高，對細(xì)分?jǐn)?shù)的要求提高,往往需要大量的元器件，復(fù)雜的工藝來完成[4]。而軟件數(shù)字細(xì)分方法，常常由于采樣的速度、時間和穩(wěn)定性的限制，難以達(dá)到大的行程范圍，并常伴有采樣信號不穩(wěn)定，誤差大、與硬件信號難以同步等問題。

本文針對以上情況，采用硬件細(xì)分與軟件細(xì)分相結(jié)合的方式，設(shè)計了一種長行程、高精度的衍射光柵位移測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以衍射光柵作為計量基準(zhǔn)，采用FPGA對光柵的干涉條紋進(jìn)行硬件細(xì)分，具有高精度，響應(yīng)快，體積小，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；使用上位機(jī)編程對采集卡高速采樣的光柵信號進(jìn)行軟件細(xì)分，并針對硬件細(xì)分與軟件細(xì)分不同步等問題進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了測量范圍和精度。最后使用高精度的雙頻干涉儀對測量結(jié)果進(jìn)行比對驗證，達(dá)到了較高的精度。測量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 光柵測量系統(tǒng)原理框圖

1 光柵信號的接收和交流調(diào)制

實際的信號接收效果表明，對于圓形干涉條紋，采用田字形光電傳感器獲得的差分信號較穩(wěn)定，并且參數(shù)一致、對稱性好。

光電管分布方式如圖2所示。

圖2 光電管接收信號的分布方式

輸出的兩路差分信號為：

可以看出，若使用傳統(tǒng)的直流光源，當(dāng)條紋靜止時，sinθ，cosθ為常數(shù)。由背景光強(qiáng)等導(dǎo)致的直流噪聲C難以消除，因此，采用在直流的基礎(chǔ)上引入高精度的交流信號給激光器供電。加在激光器兩端的電壓為 。輸出的兩路差分信號為：

當(dāng)工作臺運(yùn)動時，該信號實際采樣結(jié)果如圖3所示。

圖3 實際采樣的兩路光柵信號

對這兩路信號作以下兩種處理，1）將X、Y經(jīng)過零比較后輸入FPGA進(jìn)行一系列運(yùn)算，得出硬件計數(shù)值；2）對其進(jìn)行濾波和檢波等處理，用于軟件細(xì)分，具體方法如下。

X'與Y'兩路信號通過數(shù)據(jù)采集卡高速采樣，用于上位機(jī)的軟件細(xì)分。

2 硬件計數(shù)值的獲取

干涉條紋每個周期四倍鋅粉是由FPGA編程實現(xiàn)的。將差分信號過零比較后，由FPGA對其進(jìn)行辨向及計算出位移計數(shù)值，傳遞給上位機(jī)。

設(shè)A、B為X、Y經(jīng)過過零比較后的兩路數(shù)字信號，代表兩路信號的極性。假設(shè)光柵信號在穿越某個象限的瞬間，A、B的前一種狀態(tài)分別為A1、B1，動光柵尺朝兩個方向移動的辨向細(xì)分脈沖分別為 P+、P-，則硬件四細(xì)分的計數(shù)邏輯為：

FPGA內(nèi)部的光柵辨向計數(shù)模塊如圖4所示。

圖 4 FPGA內(nèi)部辨向計數(shù)模塊

對脈沖的計數(shù)方法如圖4所示，四細(xì)分與辨向電路用于實現(xiàn)式（7）中正向和逆向的計數(shù)邏輯，兩個加法計數(shù)器記錄下兩個方向的累計位移計數(shù)值，再由減法器相減得到總位移計數(shù)，將所得結(jié)果由數(shù)據(jù)采集卡傳遞給PC機(jī)。實驗采用600線光柵尺，光柵信號每跨越一個象限，計數(shù)值加1或減1，光柵尺的位移變化1/2400mm。

3 軟件細(xì)分與補(bǔ)償

為得到更高的精度，必須在四細(xì)分基礎(chǔ)上由上位機(jī)進(jìn)行軟件細(xì)分。用于軟件細(xì)分的兩路信號如圖5、6所示，所設(shè)計的虛擬儀器界面顯示出高速采樣的兩路動態(tài)光柵信號及其李薩茹圖。

圖5 兩路動態(tài)光柵信號

圖6 兩路信號李薩茹圖

3.1 軟件細(xì)分方法

結(jié)合硬件細(xì)分得出的大位移值，可對信號進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，計算出信號在該象限內(nèi)的小位移量，通過獲取信號在該象限內(nèi)走過的角度來完成。具體方法如下。

設(shè)信號順時針為正向、逆時針為負(fù)向，由于光柵計數(shù)值代表的位移方向與細(xì)分位移方向相反，故先將光柵計數(shù)值取反。用于軟件細(xì)分的兩組信號分別為x,y，計算出信號在該象限內(nèi)正向移動的角度。

實驗采用600的光柵尺，則根據(jù)小位移值θ和硬件計數(shù)的大位移值可求出總位移：

3.2 硬件與軟件細(xì)分信號不同步的補(bǔ)償方法

理想狀態(tài)下，硬件計數(shù)與軟件細(xì)分所采用的信號是同步的，均處于同一象限，但經(jīng)實驗分析，由于信號調(diào)理電路非對稱性、干擾噪聲，交流調(diào)制后的信號的直流和交流部分響應(yīng)速度不同等影響，硬件計數(shù)與軟件細(xì)分，難以嚴(yán)格同步，存在一個100ms左右的時間差，從而導(dǎo)致兩組信號存在相差，但由于時間差很短，因此工作臺動光柵移動的最大速度下，該相差也不可能超過一個象限。如圖7所示，當(dāng)產(chǎn)生一個微小位移時，信號由第四象限移動到了第一象限，此時，計數(shù)值應(yīng)發(fā)生跳變，由初始狀態(tài)的0變?yōu)?。但由于相差的存在，可以看出硬件計數(shù)值仍停留在第四象限，在這樣的情況下，就必須對硬件計數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償。

采用以下方法進(jìn)行補(bǔ)償，用VC++編程實現(xiàn)。

在先確定位移初始位置時計數(shù)值在每個象限的理論值， 測量位移發(fā)生改變時，無論信號經(jīng)過多少個周期，到達(dá)同一象限時，其計數(shù)值對4的余數(shù)均不發(fā)生變化。若測量結(jié)果顯示其硬件計數(shù)值對4的余數(shù)與理論不符，且由于誤差不超過一個象限，則對其做加1或減1的修正，由此方法來校正硬件計數(shù)值。采用的補(bǔ)償方法如下：

若{硬件計數(shù)值-( R-I+C )%4+4}%4=1；則計數(shù)值減1；

若{硬件計數(shù)值-( R-I+C )%4+4}%4=3；則計數(shù)值加1。

其中，R為實際測量時所得計數(shù)值對4的余數(shù)，I為信號的初始象限，C為當(dāng)前信號象限。圖7(a)所示為補(bǔ)償實驗截圖，信號在第四象限時所測得的硬件計數(shù)值為0。當(dāng)信號沿逆時針移動至第一象限的X軸附近時，如圖7(b)所示，理論上計數(shù)值應(yīng)跳變?yōu)?，而實際測量時硬件計數(shù)值仍為0，應(yīng)由軟件將其補(bǔ)償至1，圖中“光柵計數(shù)值（軟件）”顯示的即為補(bǔ)償后的計數(shù)值。

4 實驗驗證

圖7 光柵計數(shù)值軟件補(bǔ)償實驗

將以上硬件與軟件相結(jié)合的細(xì)分方法，實現(xiàn)在衍射光柵位移測量系統(tǒng)上，驅(qū)動實驗工作臺移一段距離，圖8(a)為光柵測量的結(jié)果。其中“0通道”“1通道”顯示的值分別表示用于軟件細(xì)分計算的X、Y軸的信號均值，“細(xì)分”顯示值即為最終的測量總位移。而此時信號均值處于X軸附近，圖8(b)表示，此時的計數(shù)值經(jīng)過了補(bǔ)償。

圖8 光柵測量實驗結(jié)果

圖 9 測量系統(tǒng)與雙頻干涉儀的誤差比對實驗

將該測量系統(tǒng)與雙頻干涉儀的進(jìn)行比對，測量系統(tǒng)范圍為40mm，測量工作臺每次左右移動2mm，進(jìn)行了五次實驗，圖9（b）顯示了相對雙頻干涉儀的示值誤差。光柵測量系統(tǒng)的最大示值誤差為±0.30μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2045μm。

5 結(jié)束語

本文提出的細(xì)分技術(shù)經(jīng)驗證達(dá)到了良好的效果。交流調(diào)制技術(shù)可以獲取較好的信號用于硬件計數(shù)與軟件細(xì)分，并且避免了直流漂移現(xiàn)象，減少了環(huán)境噪聲的干擾。用FPGA設(shè)計的中轉(zhuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)硬件四細(xì)分，具有較高的工作頻率，并且穩(wěn)定性好，保證了軟件細(xì)分需要的大位移值。上位機(jī)軟件細(xì)分解決了硬件不能達(dá)到高精度的問題，并且對產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，實驗證明，該測量系統(tǒng)具有較高的精度，能滿足精密測量的需要。

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