基于光栅微位移检测电路系统的研究

基于光栅微位移检测电路系统的研究

黑龙江大学

硕士学位论文

基于光栅微位移检测电路系统的研究

姓名：郑荟民

申请学位级别：硕士

专业：电路与系统

指导教师：曲伟

20100518

基于光栅微位移检测电路系统的研究

中文摘要

中文摘要

光栅尺是现代精密测量领域中广泛应用的一种位移传感器，尤其是在直线位移和角位移的测量中发挥着重要作用。光栅尺是基于莫尔条纹原理，其测量精度正比于栅格密度，受光栅刻划工艺与光电转换器件体积等影响，光栅尺的分辨率很难有大幅度的提升，所以采用细分技术是提高光栅尺测量精度的最佳途径。

本文在收集和分析近年来国内外光栅位移检测设备和ＦＰＧＡ发展现状的研究报告、学术论文等专业资料的基础上，对基于ＦＰＧＡ光栅位移检测细分系统进行深入探讨和研究。设计实现基于ＦＰＧＡ的新型辨向，细分检测电路，在此基础上实现光栅信号的八倍频检测细分：设计实现光栅信号检测的专用集成芯片。关键字：光栅传感器；莫尔条纹；辨向和细分；ＦＰＧＡ

基于光栅微位移检测电路系统的研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｒｕｌｅｒｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｍｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｉｅｌｄ，

ａｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｌｉｎｅａｒｉｔｙｆｉｅｌｄａｎｄａｎｇｌｅｆｉｅｌｄ，ｗｈｉｃｈｈａｓｐｌａｙｅｄｖｅｒｙ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅ．Ｇｒａｔｉｎｇ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｅｎｓｏｒｉｓｂａｓｅｄｏｎＭｏｌｅｓｔｒｉｐ，Ｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｈｅｓｃｒａｔｃｈｉｎｇａｎｄｖｏｌｕｍｅｏｆｏｐｔｉｃａｌ

ａａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｓｎｏｔｈａｖｅｌａｒｇｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Ｓｏｕｓｉｎｇｓｕｂｄｉｖｉｄｅｓｔｏｇｅｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｄａｇｏｏｄｃｈｏｉｃｅ．

Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍａｎｙｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄ

ｇｒａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

ｓｕｂｄｉｖｉｄｅｓｓｙｓｔｅｍａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅｐｏｒｔｓａｎｄａｒｔｉｃｌｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏａｎｄＦＰＧＡ－ｒｅｌａｔｅｄ，ｔｈｅＦＰＧＡａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｌｅｄｅｅｐｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

ｏｎＤｅｓｉｇｎｅｄｎｅｗｓｔｙｌｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇａｎｄｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄ

ＦＰＧＡ，ａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｅｉｇｈｔｔｉｍｅｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｃｈｉｐｏｆｇｒａｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒ，Ｍｏｉｒ６ｆｒｉｎｇｅ，Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇａｎｄｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＦＰＧＡ

—ＩＩ．

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕴堑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

学位论文作者签名：船氏签字日期：物年咖心日

学位论文版权使用授权书

本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。

学位论文作者签名：韶足

签字日期：２矽年汐莎月

学位论文作者毕业后去向：既目……别中签字日期：舻形月∥妒

工作单位：

通讯地址：电话：阳毛６Ｑ缸＜怕邮编：

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第１章绪论

第１章绪论

１．１光栅检测概述

自上世纪七十年代以来，各国科研机构开始致力于发展精密位置检测，研究开发新一代检测元件和计量技术。精密位置检测技术同样是我国重点发展和推广的新型技术，多年来在航空航天及船舶工业、生物医学与健康工程、化学传感、地震力学研究、微电子加工以及精密机械仪器等领域均得到广泛应用。位置检测主要是指长度和角度的测量技术，随着近代科学技术的发展尤其是电子技术的迅速崛起，对测量提出高精度、大量程、动态化和数字化等新要求。光栅测量是位置检测的一种，是利用光栅作为位移传感器，通过对莫尔条纹计数，来实现位置检测的技术ｕ】。

目前已经获得公认并且被广泛应用的位置检测技术主要有计量光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅和激光等，其中感应同步器、计量光栅、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅统称为栅式测量系纠２１，这些测量方式都是采用将一个栅距周期内的距离绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光那样的使用光波波长，而是使用国际标准的米制（或英尺制）标尺。它们具有各自特有的优势，相互补充，在竞争中都得到发展。随着光栅的刻制技术的发展和计算机技术的巨大进步，以及光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，使光栅检测技术在近二、三十年间得到迅猛的发展【３Ｊ。目前使用光栅技术进行长度和角度测量的传感器在计量和控制领域中已经得到推广。光栅测量系统以其性能优良、可靠性好、精度高、使用方便等诸多优点，逐渐在栅式测量系统中凸显，而且制造成本又比感应同步器、磁栅、球栅低。因此光栅测量技术发展的最快、技术指标最优良、市场占有份额最多。现在光栅测量在栅式测量系统中的占有率已经超过８０％，并且光栅长度测量系统的分辨率己覆盖微米级、亚微米级和纳米级等高精密等级【４１。

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１．２光栅检测技术发展研究现状

计量光栅技术的基础是莫尔条纹（Ｍｏｉｒｅｆｒｉｎｇｅｓ），这种检测方法是在１８７４年由英国物理学家Ｌ．Ｒａｙｌｅｉｇｈ首先提出，但是直到２０世纪５０年代才开始利用莫尔条纹进行精密测量１５Ｊ。１９５０年德国海德汉因（ＨＥＩＤＥＮＨＡＮＩ）公司首创ＤＩＡＤＵＲ复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，通过这种方式制造出高精度且价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受并进入商品市场。１９５３年英国Ｆｅｒｒａｎｔｉ公司提出了一个四相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现光栅信号的四倍频细分并且能够鉴别移动方向，这就是四倍频鉴相技术，一直广泛应用丕瓜【６１土＿７ｏ

在二十世纪七十年代初期伴随光刻、复制技术和微电子技术的迅速发展，光栅测量系统生产制造节省大量成本，同 …… 此处隐藏：2223字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……