付 敏，李昌利，朱 革，蒲治偉，余小雨，張雙亞

(1.重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶 400054)

0 引言

光柵以柵距作為測量基準，具有對測量環(huán)境的要求低、結構緊湊、成本較低等優(yōu)勢，是一種廣泛運用的光學位移測量方法[1-2]。1953年，英國Ferranti公司建立了采用莫爾條紋的位移測量樣機并取得了專利，光柵開始應用于位移測量領域[3]。傳統(tǒng)光柵采用四場掃描技術實現(xiàn)位移測量[4-5]，但當個別感光元件受到污染或出現(xiàn)故障時，光柵測量精度存在很大誤差。一種采用柵狀的感光元件的單場掃描光柵被提出，它具有更小的信號噪聲、對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系列絕對式光柵尺。但其實現(xiàn)難度很大，包括高質(zhì)量的光柵柵線制作、光電接收電路與轉換電路集成難度大、復雜的信號處理系統(tǒng)等。國內(nèi)開展了大量單場式光柵研究工作，其中長春光學精密機械與物理研究所已經(jīng)具備獨立制作單場式光柵能力[9-10]，但傳感器整體性能與國外先進水平有較大的差距。為減小精密測量對制造工藝的依賴程度，提出了光場式時柵測量方法[11]。文獻[12]提出一種光強正交調(diào)制的光場式時柵測量方法，試圖采用交變光場和正弦透光面實現(xiàn)用電信號的時間差對位移的精密測量。文獻[13]用兩路正交的交變光場和兩排空間調(diào)制的正弦透光面，用0.9 mm柵距，在108 mm量程內(nèi)實現(xiàn)了±0.5 μm的測量精度；但大面積出光面的光源設計和制作困難，影響了傳感器性能提高；文獻[14]提出一種多光場單排雙正弦透光面的形式，用0.6 mm柵距，在180 mm量程內(nèi)實現(xiàn)了±0.4 μm測量精度，但存在多光場的一致性難以保證、體積大難以集成等問題，限制了該方法的工程化應用。

本文提出采用單光場保證光源的一致性，降低光源制造要求，簡化傳感器結構；采用更大面積的上、下雙余弦透光面，增加透過每個透光面的光通量和光電流信號信噪比；對傳感器結構和電路進行集成化設計，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 多光場傳感器存在問題分析

多光場正弦透光面時柵傳感器由4個光源、動極板、定極板和光電池組成，如圖1所示。首先由激勵電路板對4個光源分別通入時間相位依次相差90°的激勵信號(即：Imcos(ωt)、Imcos(ωt+π/2) 、Imcos(ωt+π)、Imcos(ωt+3π/2)，獲得4個正交的交變光場，即實現(xiàn)時間調(diào)制。動極板由間距為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、動極板之間相對運動實現(xiàn)空間調(diào)制。通過空間調(diào)制和時間調(diào)制得到4路光電信號，然后對其求和獲得電行波信號來實現(xiàn)位移測量。

這種方法在光源加工和制造過程中存在制造偏差，使得4個光源一致性難以保證，如圖3所示。4個交變光場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，引入較大的測量誤差。同時，多光場的測頭體積大，對傳感器各部分的安裝和加工要求高、成本高，難以集成，其傳感器結構如圖4所示。

圖2 多光場時柵正弦透光面空間排布

圖3 多光場透光面面形效果

圖4 多光場時柵傳感器結構

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

圖5 單光場時柵結構模型

2 單光場測量原理及結構設計

2.1 測量原理

由于在單光場結構中，透光面面積變化情況比多光場結構要小很多，為了使單光場結構獲得同樣的光信號質(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，即提高信號的信噪比，從而提高有限空間內(nèi)光強信號調(diào)制的質(zhì)量。

圖6 正弦透光面與余弦透光面對比圖

單光場余弦透光面時柵定、動極板運動位置關系，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、動極板余弦透光面空間排布

以0°透光面進行分析，如圖8所示。

圖8 0°透光面的動、定極板相對運動關系

動極板從初始位置向右移動距離為x。已知動極板上余弦透光面透光輪廓線與位移之間的關系：

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(動極板柵距)；x為透光面移動的位移量。

根據(jù)4組余弦透光面的透光面積與動極板位移的相互關系，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路光電流信號為：

(3)

(4)

圖9 單光場時柵測量原理

利用得到的電行波信號經(jīng)過濾波、整形轉換為方波信號，在FPGA里與同頻率、同幅值的參考信號鑒相處理。利用高頻時鐘脈沖插補參考信號與行波信號之間時間相位差，即時間量。根據(jù)時間量可獲得動極板與定極板相對位移值，實現(xiàn)時間量對位移空間量測量。

2.2 集成化結構設計

2.2.1 結構設計

光源采用LED光源，接收采用集成芯片，對傳感器結構進行集成化設計。其結構主要包括光源部分、測頭、定極板部分與光電接收部分，如圖10所示。對比圖4可以看出傳感器體積明顯減小。傳感器固定于實驗平臺上，動極板固定于導軌上，實現(xiàn)了動、定極板相對位移，從而實現(xiàn)高精度直線位移測量。

圖10 單光場時柵傳感器集成化結構模型與實物圖

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

圖11 定極板固定座結構模型與實物圖

2.2.2 采集電路設計

圖12 集成化采集電路實物圖

為了減小傳感器體積、保證測量可靠性和穩(wěn)定性，采用集成光電接收芯片作為接收器。同時，為方便后續(xù)電路處理，接收部分需以電壓信號輸出。針對以上要求，設計了如圖12所示的電路。這種方式將光電接收和光電轉換在一個芯片上實現(xiàn)，提高了信號的質(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

為了驗證連續(xù)余弦透光面的有效性，通過光學仿真軟件(TracePro)對正、余弦透光面進行仿真分析。根據(jù)測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、定極板之間相互平行安裝(理想條件下)。動極板以0.01 mm的步距移動，采集1個周期(2W=0.6 mm)，即采集60個點。用Matlab對采集的數(shù)據(jù)進行分析，得到一個周期內(nèi)每組透光面的光通量變化曲線，更進一步獲得電行波信號和其諧波成分圖，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

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

正弦透光面時柵的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。

對比圖13、圖14可以看出：4組光電信號(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。電行波信號和誤差成分也都得到了優(yōu)化。驗證了余弦透光面優(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

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

4 實驗研究

根據(jù)理論和仿真，搭建了實驗平臺，如圖15所示。單光場時柵傳感器實驗采用FPGA產(chǎn)生的激勵信號(ω=1 kHz)驅(qū)動LED光源。定極板與動極板采用光學鍍膜的方式，動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)。動極板采用PRO225LM精密直線導軌平臺以0.01 mm的步距驅(qū)動。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。光電信號通過后續(xù)電路處理后，送入傳感器測量系統(tǒng)，將電行波信號轉換為位移數(shù)據(jù)。利用RENSHAW XL-80激光干涉儀測量值作為參考值，得到誤差曲線進行分析。

圖15 實驗平臺

為了進一步驗證余弦透光面優(yōu)化的有效性，實驗時取2個周期長度(4W=1.2 mm)進行測試，導軌移動步距為0.01 mm。即在傳感器測量系統(tǒng)中采集120個點，每個點的值就是傳感器實際位移測量值。單光場正弦透光面?zhèn)鞲衅鳒y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

單光場余弦透光面?zhèn)鞲衅鳒y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。從實驗上驗證了采用連續(xù)余弦透光面優(yōu)化的有效性。

對單光場余弦透光面時柵傳感器優(yōu)化之后，進行長周期測試(100 mm)。導軌移動步距為0.5 mm，即采集200個點。采用傅里葉諧波修正方法進行實時修正，獲得傳感器誤差曲線，如圖18所示。實驗表明：在100 mm的測量范圍內(nèi)經(jīng)過誤差修正后傳感器的測量精度可以達到±0.2 μm。

圖18 修正后100 mm測量范圍的誤差曲線

5 結束語

本文對單光場集成化時柵傳感器的結構模型、工作原理作了詳細分析，并結合仿真和實驗驗證了這種方法的有效性和可行性。得出以下結論：

(1)對單光場時柵傳感器結構和電路進行了集成化設計，使傳感器測量穩(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，進一步提高了4組光電信號的信噪比，有利于后續(xù)信號處理。

(3)通過對傳感器的改進與優(yōu)化，在100 mm測量范圍內(nèi)，柵距為0.6 mm，測量精度可以達到±0.2 μm。