單交變光場(chǎng)余弦透光面集成化時(shí)柵傳感器研究

付 敏，李昌利，朱 革，蒲治偉，余小雨，張雙亞

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

0 引言

光柵以柵距作為測(cè)量基準(zhǔn)，具有對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求低、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低等優(yōu)勢(shì)，是一種廣泛運(yùn)用的光學(xué)位移測(cè)量方法[1-2]。1953年，英國(guó)Ferranti公司建立了采用莫爾條紋的位移測(cè)量樣機(jī)并取得了專利，光柵開始應(yīng)用于位移測(cè)量領(lǐng)域[3]。傳統(tǒng)光柵采用四場(chǎng)掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量[4-5]，但當(dāng)個(gè)別感光元件受到污染或出現(xiàn)故障時(shí)，光柵測(cè)量精度存在很大誤差。一種采用柵狀的感光元件的單場(chǎng)掃描光柵被提出，它具有更小的信號(hào)噪聲、對(duì)污染干擾不敏感和更高的定位精度[6-8]，如：海德漢公司于2005年推出了LC系列絕對(duì)式光柵尺。但其實(shí)現(xiàn)難度很大，包括高質(zhì)量的光柵柵線制作、光電接收電路與轉(zhuǎn)換電路集成難度大、復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)開展了大量單場(chǎng)式光柵研究工作，其中長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所已經(jīng)具備獨(dú)立制作單場(chǎng)式光柵能力[9-10]，但傳感器整體性能與國(guó)外先進(jìn)水平有較大的差距。為減小精密測(cè)量對(duì)制造工藝的依賴程度，提出了光場(chǎng)式時(shí)柵測(cè)量方法[11]。文獻(xiàn)[12]提出一種光強(qiáng)正交調(diào)制的光場(chǎng)式時(shí)柵測(cè)量方法，試圖采用交變光場(chǎng)和正弦透光面實(shí)現(xiàn)用電信號(hào)的時(shí)間差對(duì)位移的精密測(cè)量。文獻(xiàn)[13]用兩路正交的交變光場(chǎng)和兩排空間調(diào)制的正弦透光面，用0.9 mm柵距，在108 mm量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±0.5 μm的測(cè)量精度；但大面積出光面的光源設(shè)計(jì)和制作困難，影響了傳感器性能提高；文獻(xiàn)[14]提出一種多光場(chǎng)單排雙正弦透光面的形式，用0.6 mm柵距，在180 mm量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±0.4 μm測(cè)量精度，但存在多光場(chǎng)的一致性難以保證、體積大難以集成等問題，限制了該方法的工程化應(yīng)用。

本文提出采用單光場(chǎng)保證光源的一致性，降低光源制造要求，簡(jiǎn)化傳感器結(jié)構(gòu)；采用更大面積的上、下雙余弦透光面，增加透過每個(gè)透光面的光通量和光電流信號(hào)信噪比；對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，提高了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，為產(chǎn)品化方向發(fā)展提供了思路。

1 多光場(chǎng)傳感器存在問題分析

多光場(chǎng)正弦透光面時(shí)柵傳感器由4個(gè)光源、動(dòng)極板、定極板和光電池組成，如圖1所示。首先由激勵(lì)電路板對(duì)4個(gè)光源分別通入時(shí)間相位依次相差90°的激勵(lì)信號(hào)(即：Imcos(ωt)、Imcos(ωt+π/2) 、Imcos(ωt+π)、Imcos(ωt+3π/2)，獲得4個(gè)正交的交變光場(chǎng)，即實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)制。動(dòng)極板由間距為W的交替透光的矩形透光面組成，定極板由4組周期為2W的上、下雙正弦透光面組成，并且4組透光面之間空間相位相差為W/2，如圖2所示。其中，①、②、③和④分別為0°、90°、180°和270°透光面。定、動(dòng)極板之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制。通過空間調(diào)制和時(shí)間調(diào)制得到4路光電信號(hào)，然后對(duì)其求和獲得電行波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。

這種方法在光源加工和制造過程中存在制造偏差，使得4個(gè)光源一致性難以保證，如圖3所示。4個(gè)交變光場(chǎng)的均勻性和一致性難以保證，使得傳感器的可靠性和穩(wěn)定性較差，引入較大的測(cè)量誤差。同時(shí)，多光場(chǎng)的測(cè)頭體積大，對(duì)傳感器各部分的安裝和加工要求高、成本高，難以集成，其傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 多光場(chǎng)時(shí)柵正弦透光面空間排布

圖3 多光場(chǎng)透光面面形效果

圖4 多光場(chǎng)時(shí)柵傳感器結(jié)構(gòu)

為解決以上問題，開展了單光場(chǎng)時(shí)柵傳感器研究，如圖5所示。該方法采用單光場(chǎng)時(shí)空調(diào)制方法減少傳感器測(cè)頭體積，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)，降低光源加工要求和成本。

圖5 單光場(chǎng)時(shí)柵結(jié)構(gòu)模型

2 單光場(chǎng)測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量原理

由于在單光場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，透光面面積變化情況比多光場(chǎng)結(jié)構(gòu)要小很多，為了使單光場(chǎng)結(jié)構(gòu)獲得同樣的光信號(hào)質(zhì)量，將原有離散排列的正弦透光面，改成連續(xù)排列的余弦透光面。正弦透光面與連續(xù)余弦透光面的對(duì)比如圖6所示，在不改變透光面寬度的情況下，較大幅度增加透光面積的變化范圍，即提高信號(hào)的信噪比，從而提高有限空間內(nèi)光強(qiáng)信號(hào)調(diào)制的質(zhì)量。

圖6 正弦透光面與余弦透光面對(duì)比圖

單光場(chǎng)余弦透光面時(shí)柵定、動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系，如圖7所示。其中，①、②、③和④分別為0°、90°、180°和270°透光面。

圖7 定、動(dòng)極板余弦透光面空間排布

以0°透光面進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 0°透光面的動(dòng)、定極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

動(dòng)極板從初始位置向右移動(dòng)距離為x。已知?jiǎng)訕O板上余弦透光面透光輪廓線與位移之間的關(guān)系：

y=A[1-cos(πx/W)]

(1)

式中：A為余弦透光面的幅值；W為余弦透光面的半周期(動(dòng)極板柵距)；x為透光面移動(dòng)的位移量。

根據(jù)4組余弦透光面的透光面積與動(dòng)極板位移的相互關(guān)系，4組余弦透光面(0°、90°、180°、270°)的透光面積的變化規(guī)律為：

(2)

4路光電流信號(hào)為：

(3)

(4)

圖9 單光場(chǎng)時(shí)柵測(cè)量原理

利用得到的電行波信號(hào)經(jīng)過濾波、整形轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，在FPGA里與同頻率、同幅值的參考信號(hào)鑒相處理。利用高頻時(shí)鐘脈沖插補(bǔ)參考信號(hào)與行波信號(hào)之間時(shí)間相位差，即時(shí)間量。根據(jù)時(shí)間量可獲得動(dòng)極板與定極板相對(duì)位移值，實(shí)現(xiàn)時(shí)間量對(duì)位移空間量測(cè)量。

2.2 集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光源采用LED光源，接收采用集成芯片，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)主要包括光源部分、測(cè)頭、定極板部分與光電接收部分，如圖10所示。對(duì)比圖4可以看出傳感器體積明顯減小。傳感器固定于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，動(dòng)極板固定于導(dǎo)軌上，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)、定極板相對(duì)位移，從而實(shí)現(xiàn)高精度直線位移測(cè)量。

圖10 單光場(chǎng)時(shí)柵傳感器集成化結(jié)構(gòu)模型與實(shí)物圖

定極板固定座是為了保證定極板和光電接收進(jìn)行精準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。將定極板安裝在臺(tái)階槽內(nèi)，用臺(tái)階槽進(jìn)行粗定位，精定位用透過定位孔和定極板圓形透光面的光電信號(hào)變化進(jìn)行定位，減小了安裝誤差。由于光電接收是固定在PCB板上，因此設(shè)計(jì)了引腳。這些方式實(shí)現(xiàn)了傳感器集成化設(shè)計(jì)，便于安裝，操作簡(jiǎn)單、可靠。同時(shí)，定極板和光電接收之間距離可以通過引腳的插入深度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖11 定極板固定座結(jié)構(gòu)模型與實(shí)物圖

2.2.2 采集電路設(shè)計(jì)

圖12 集成化采集電路實(shí)物圖

為了減小傳感器體積、保證測(cè)量可靠性和穩(wěn)定性，采用集成光電接收芯片作為接收器。同時(shí)，為方便后續(xù)電路處理，接收部分需以電壓信號(hào)輸出。針對(duì)以上要求，設(shè)計(jì)了如圖12所示的電路。這種方式將光電接收和光電轉(zhuǎn)換在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)，提高了信號(hào)的質(zhì)量和傳感器的抗干擾性。

3 余弦透光面優(yōu)化的仿真分析

為了驗(yàn)證連續(xù)余弦透光面的有效性，通過光學(xué)仿真軟件(TracePro)對(duì)正、余弦透光面進(jìn)行仿真分析。根據(jù)測(cè)量理論建立了仿真模型，如圖5所示。L=8 mm，γ=0 mm，δ=0.5 mm，D=0.75 mm，W=0.3 mm。仿真過程中除了定極板透光面形狀不同外，其他條件都相同，并且動(dòng)、定極板之間相互平行安裝(理想條件下)。動(dòng)極板以0.01 mm的步距移動(dòng)，采集1個(gè)周期(2W=0.6 mm)，即采集60個(gè)點(diǎn)。用Matlab對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到一個(gè)周期內(nèi)每組透光面的光通量變化曲線，更進(jìn)一步獲得電行波信號(hào)和其諧波成分圖，如圖13、圖14所示。

(a)4組透光面光通量變化曲線

(b)電行波信號(hào)

(c)電行波信號(hào)諧波誤差圖13 4組正弦透光面光通量變化曲線、電行波信號(hào)及其諧波誤差

正弦透光面時(shí)柵的4組正弦透光面光通量的平均振幅值為5 219 lm，主要誤差成分為一次、二次和四次諧波誤差，如圖13所示。余弦透光面時(shí)柵的4組余弦透光面光通量的平均振幅值為6 521 lm，主要誤差成分為一次、二次和三次諧波誤差，如圖14所示。

對(duì)比圖13、圖14可以看出：4組光電信號(hào)(光通量)的平均幅值增加了0.25倍。4組光通量得到明顯提高，獲得了較好的信噪比信號(hào)。電行波信號(hào)和誤差成分也都得到了優(yōu)化。驗(yàn)證了余弦透光面優(yōu)化信噪比的正確性和可行性。

(a)4組透光面光通量變化曲線

(b)電行波信號(hào)

(c)電行波信號(hào)諧波誤差圖14 4組余弦透光面光通量變化曲線、電行波信號(hào)及其諧波誤差

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)理論和仿真，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖15所示。單光場(chǎng)時(shí)柵傳感器實(shí)驗(yàn)采用FPGA產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)(ω=1 kHz)驅(qū)動(dòng)LED光源。定極板與動(dòng)極板采用光學(xué)鍍膜的方式，動(dòng)極板定制透光面寬度為0.3 mm的矩形透光面，定極板分別采用相同周期和幅值的正弦透光面和余弦透光面(2W=0.6 mm，A=0.1 mm)。動(dòng)極板采用PRO225LM精密直線導(dǎo)軌平臺(tái)以0.01 mm的步距驅(qū)動(dòng)。光電接收采用光電接收芯片(IC-LSCQFN32-5*5)，并焊接在PCB電路板上。光電信號(hào)通過后續(xù)電路處理后，送入傳感器測(cè)量系統(tǒng)，將電行波信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)。利用RENSHAW XL-80激光干涉儀測(cè)量值作為參考值，得到誤差曲線進(jìn)行分析。

圖15 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證余弦透光面優(yōu)化的有效性，實(shí)驗(yàn)時(shí)取2個(gè)周期長(zhǎng)度(4W=1.2 mm)進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)軌移動(dòng)步距為0.01 mm。即在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中采集120個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的值就是傳感器實(shí)際位移測(cè)量值。單光場(chǎng)正弦透光面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量精度為：±1.39 μm，諧波誤差成分以一次、二次、四次誤差為主，如圖16所示。

圖16 正弦透光面誤差曲線和諧波成分

單光場(chǎng)余弦透光面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量精度為±0.14 μm，以一次、二次、三次和四次誤差為主，如圖17所示。

圖17 余弦透光面誤差曲線和諧波成分

可以看出測(cè)量精度提高了將近10倍，一次、二次和四次諧波誤差也明顯減小了。從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了采用連續(xù)余弦透光面優(yōu)化的有效性。

對(duì)單光場(chǎng)余弦透光面時(shí)柵傳感器優(yōu)化之后，進(jìn)行長(zhǎng)周期測(cè)試(100 mm)。導(dǎo)軌移動(dòng)步距為0.5 mm，即采集200個(gè)點(diǎn)。采用傅里葉諧波修正方法進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，獲得傳感器誤差曲線，如圖18所示。實(shí)驗(yàn)表明：在100 mm的測(cè)量范圍內(nèi)經(jīng)過誤差修正后傳感器的測(cè)量精度可以達(dá)到±0.2 μm。

圖18 修正后100 mm測(cè)量范圍的誤差曲線

5 結(jié)束語

本文對(duì)單光場(chǎng)集成化時(shí)柵傳感器的結(jié)構(gòu)模型、工作原理作了詳細(xì)分析，并結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的有效性和可行性。得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)單光場(chǎng)時(shí)柵傳感器結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，使傳感器測(cè)量穩(wěn)定性和可靠性得到提高。

(2)采用連續(xù)上、下雙余弦透光面提高了每組透光面的光通量，進(jìn)一步提高了4組光電信號(hào)的信噪比，有利于后續(xù)信號(hào)處理。

(3)通過對(duì)傳感器的改進(jìn)與優(yōu)化，在100 mm測(cè)量范圍內(nèi)，柵距為0.6 mm，測(cè)量精度可以達(dá)到±0.2 μm。