儲玉芬

（閩西職業(yè)技術學院 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、微型機電系統(tǒng)等制造領域發(fā)展的基礎。目前該領域應用較廣、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,即可求得光柵尺的相對位移[3]。但是,隨著科學技術的發(fā)展，對光柵信號的周期進行計數遠不能滿足精密測量和加工的需要[2]，要達到更高的精度，就需要對光柵信號進行細分處理。傳統(tǒng)的細分方法是通過硬件電路來實現的,隨著精度的提高，對細分數的要求提高,往往需要大量的元器件，復雜的工藝來完成[4]。而軟件數字細分方法，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，采用硬件細分與軟件細分相結合的方式，設計了一種長行程、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，采用FPGA對光柵的干涉條紋進行硬件細分，具有高精度，響應快，體積小，穩(wěn)定性好等特點；使用上位機編程對采集卡高速采樣的光柵信號進行軟件細分，并針對硬件細分與軟件細分不同步等問題進行了補償，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果進行比對驗證，達到了較高的精度。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，當條紋靜止時，sinθ，cosθ為常數。由背景光強等導致的直流噪聲C難以消除，因此，采用在直流的基礎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：

當工作臺運動時，該信號實際采樣結果如圖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經過零比較后輸入FPGA進行一系列運算，得出硬件計數值；2）對其進行濾波和檢波等處理，用于軟件細分，具體方法如下。

X'與Y'兩路信號通過數據采集卡高速采樣，用于上位機的軟件細分。

2 硬件計數值的獲取

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

設A、B為X、Y經過過零比較后的兩路數字信號，代表兩路信號的極性。假設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分脈沖分別為 P+、P-，則硬件四細分的計數邏輯為：

FPGA內部的光柵辨向計數模塊如圖4所示。

圖 4 FPGA內部辨向計數模塊

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

3 軟件細分與補償

為得到更高的精度，必須在四細分基礎上由上位機進行軟件細分。用于軟件細分的兩路信號如圖5、6所示，所設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 軟件細分方法

結合硬件細分得出的大位移值，可對信號進行進一步細化，計算出信號在該象限內的小位移量，通過獲取信號在該象限內走過的角度來完成。具體方法如下。

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

實驗采用600的光柵尺，則根據小位移值θ和硬件計數的大位移值可求出總位移：

3.2 硬件與軟件細分信號不同步的補償方法

理想狀態(tài)下，硬件計數與軟件細分所采用的信號是同步的，均處于同一象限，但經實驗分析，由于信號調理電路非對稱性、干擾噪聲，交流調制后的信號的直流和交流部分響應速度不同等影響，硬件計數與軟件細分，難以嚴格同步，存在一個100ms左右的時間差，從而導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，當產生一個微小位移時，信號由第四象限移動到了第一象限，此時，計數值應發(fā)生跳變，由初始狀態(tài)的0變?yōu)?。但由于相差的存在，可以看出硬件計數值仍停留在第四象限，在這樣的情況下，就必須對硬件計數值進行補償。

采用以下方法進行補償，用VC++編程實現。

在先確定位移初始位置時計數值在每個象限的理論值， 測量位移發(fā)生改變時，無論信號經過多少個周期，到達同一象限時，其計數值對4的余數均不發(fā)生變化。若測量結果顯示其硬件計數值對4的余數與理論不符，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值。采用的補償方法如下：

若{硬件計數值-( R-I+C )%4+4}%4=1；則計數值減1；

若{硬件計數值-( R-I+C )%4+4}%4=3；則計數值加1。

其中，R為實際測量時所得計數值對4的余數，I為信號的初始象限，C為當前信號象限。圖7(a)所示為補償實驗截圖，信號在第四象限時所測得的硬件計數值為0。當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，理論上計數值應跳變?yōu)?，而實際測量時硬件計數值仍為0，應由軟件將其補償至1，圖中“光柵計數值（軟件）”顯示的即為補償后的計數值。

4 實驗驗證

圖7 光柵計數值軟件補償實驗

將以上硬件與軟件相結合的細分方法，實現在衍射光柵位移測量系統(tǒng)上，驅動實驗工作臺移一段距離，圖8(a)為光柵測量的結果。其中“0通道”“1通道”顯示的值分別表示用于軟件細分計算的X、Y軸的信號均值，“細分”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，此時的計數值經過了補償。

圖8 光柵測量實驗結果

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，標準差為0.2045μm。

5 結束語

本文提出的細分技術經驗證達到了良好的效果。交流調制技術可以獲取較好的信號用于硬件計數與軟件細分，并且避免了直流漂移現象，減少了環(huán)境噪聲的干擾。用FPGA設計的中轉系統(tǒng)實現硬件四細分，具有較高的工作頻率，并且穩(wěn)定性好，保證了軟件細分需要的大位移值。上位機軟件細分解決了硬件不能達到高精度的問題，并且對產生的誤差進行了補償，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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