基于光栅微位移检测电路系统的研究(2)

随着现代电子技术的发展，对电子仪器的精度要求越来越高。信号细分系统是对被测信号进行插值来提高仪器分辨率的电路，广泛应用在各种电子机械领域中。本课题将光栅传感器所采集的信号进行八倍频处理，并且实现信号的辨向，从而把细分技术应用到要求精度较高系统中，来实现对高精度要求的位移和位置的测量与控制。因此，从制造成本和加工工艺角度出发，使用细分的手段来提高光栅测量的精度，对其细分系统的研究也将直接推动我国光栅测量技术发展水平的提高。

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

１．４本文研究内容

本文围绕光栅位移传感器的工作原理，光栅传感器莫尔条纹信号细分、辨向和计数的原理和实施方案进行深入学习，研究以下内容：

（１）探索一种新型辨向，倍频细分方案；

（２）实现光栅信号八倍频细分；

（３）基于ＦＰＧＡ芯片实现不同光栅信号检测，处理，显示的片上系统设计；（４）构建光栅检测电路实体；

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第２章光栅位移传感器

第２章光栅位移传感器

２．１光栅简介

在玻璃尺或玻璃盘上紧密刻划类似于刻度标尺或度盘那样１０－－２０ｒａｍ的长刻线，没有刻划的地方透光，光刻划画处不透光，便得到黑白相间间隔细小的条纹，这就是光栅【１４１。

２．２光栅式传感器的特点

光栅式传感器凭借其优良特性被广泛使用在几何量测量领域。凡是涉及直线位移或角位移的测量，通常使用光栅式传感器，如三坐标测量机、分度头和一些位移量同步比较的动态测量仪器【１５１。

光栅式传感器与其他类型位移传感器相比，具有以下优点【１６】：

（１）直接输出数字量。原始输出信号是脉冲信号，很容易与数字电路相匹配，免去模拟量传感器的输出量必须经过抽样、保持、量化、编码的模／数转化过程。

（２）高精度，低成本。由于光栅刻制技术及电子细分技术的发展，以及莫尔条纹对光栅栅距具有局部消差的作用，光栅式传感测量的精度可以达到很高。对于大量程的长度测量来说，其精度仅次于激光式测量，但激光式测长装置技术难度大，成本高。

（３）兼有高分辨率、大量程两个特性。一般传感器很难在大量程和高分辨率兼顾，这是光栅在测量中的一个显著优点。

（４）长期稳定性高。光栅式传感器采用非接触式测量方式，因此避免使用过程中的机械磨损，进而保持光栅尺的使用寿命。

（５）较强的抗干扰能力。因为光栅式传感器的输出是数字量，具有较高的信号幅度，因此对于弱信号的抗干扰能力很强。

（６）具有较高的测量速度。

（７）利于集成化。利用现代加工工艺实现便携的结构形式，从而给应用带来很

．５．

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大的方便。

（８）光栅测量系统具有误差平均效应，对光栅的小周期误差不敏感。

总之，光栅传感器具有其他检测器件无法比拟的优越性，有着广泛的应用前景和再次开发潜力。

２．３光栅式传感器的工作原理

光栅上的刻线称为栅线，如图２—１所示，栅线的宽度为ａ，缝隙宽度为ｂ，通常情况下设定ａ＝ｂ，而口＋６＝职Ｗ称为光栅的栅距（也称光栅常数或光栅的节距），它是光栅式传感器的重要参数之一。光栅式传感器的基本工作原理是利用一对计量光栅，其中一块是固定的，而另一块是运动的。当有光通过两者并且两块计量光栅之间发生相对运动时，能够产生相当于干涉仪中得到的条纹信号，即所谓的莫尔条纹信号‘１７１。现代计量光栅常采用４－２５０ｌ／ｍｍ，彼此移动一条刻槽就移动一条莫尔条纹，条纹宽度不受波长影响，并且条纹较宽可进行内插，由于误差平均效应，因而可以获得很高的精度。

图２－１光栅示意图

Ｆｉｇｕｒｅ２－１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｇｒａｔｉｎｇ

２．４光栅计量种类

在几何量精密测量领域内，光栅按其用途分为物理光栅和计量光栅两类。

（１）物理光栅：光栅刻线密度在１０００１／ｍｍ以上，主要应用光的衍射作用，进行光谱分析、波长测量等。（２）计量光栅：光栅刻线较稀，应用莫尔现象，进行长度、角度、加速度等物

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第２罩光栅位移传惑器

ＩＩＩＩ

理量的测量。

在几何量精密测量领域内，光栅按其外形可分为：长光栅、圆光栅０１８】。

（１）长光栅

刻划在玻璃尺或金属尺上的光栅称为长光栅（也称为光栅尺），用于测量长度或直线位移。长光栅栅线的疏密（即栅距Ｗ的大小）常用每毫米长度内的栅线数（即栅线密度）表示。例如Ｗ＝Ｏ．００５ｍｍ，其栅线密度为２００ｌ／ｍｍ。根据栅线类型的不同，长光栅分为黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是计量光栅中最普遍的一种，是只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅（也称为振幅光栅）。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制（也称为相位光栅）。黑白光栅的栅线密度一般为２０．１２５Ｌ／ｍｍ，闪耀光栅的栅线密度常在６００ｌ／ｍｍ以上。

（２）圆光栅

刻划在玻璃盘或金属盘上的光栅称为圆光栅（也称光栅盘），用于测量角度或角位移。

２．５莫尔条纹

几百年前，法国的丝绸工人发现，两块薄绸子叠合在一起，上下两层绸子的经纬线交错，在阳光照射下会产生绚丽的花纹，当薄绸子相对移动时，花纹也随着晃动、变化，这种花纹状似水波法文称为Ｍｏ矾，中文译为“莫尔”Ｉｌｇ］。莫尔现象在日常生活中到处都能见到，例如，阳光照射在雨层窗纱上，地面上投下一片明暗相间的花纹彩带，这就是一种莫尔条纹。早期莫尔条纹应用仅仅局限于装饰方面。随着科学校术的迅速发展，莫尔条纹现象作为一种精确的检测手段，逐步应用于测试技术之中。

长光栅的莫尔条纹分析：

将两块光栅重叠在一起并使二者栅线交成很小的夹角，就可以得到莫尔条纹图案如图２．２所示。如果两块长光栅叠合，光栅栅线皆为平行排列的直线，则黑条纹是由一系列的交叉线构成的不透光部分，而白条纹是由～系列的四棱形构成透

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光部分。

长光栅的莫尔条纹的形式通常分为：横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹和斜向莫尔条纹【２０１。

两块光栅的栅距各为％和％，如果％＝Ｗｚ＝Ｗ，二者叠合时栅线交角矽较小，则形成横向莫尔条纹。

两块光栅的栅距孵和赐很接近，但不相等。二者叠合并保持栅线彼此平行，即交角０＝０，则形成同栅线平行的条纹，称之为纵向莫尔条纹。

两块构成纵向莫尔条纹的光栅。若其中一块转动一很小的夹角，即０４０。则构成斜向莫尔条纹。

本文重点针对横向莫尔条纹进行研究。

图２－２摩尔条纹

Ｆｉｇｕｒｅ２－２Ｍｏｉｒ６ｆｒｉｎｇｅ

２．５．１莫尔条纹长度测量原理

从莫尔条纹的定义中分析已经可以得出传统莫尔条纹测长方式，若两条光栅以一小夹角互相重叠，就形成莫尔条纹。当长光栅固定，指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下，指示光栅与工作台固定在一起，工作台前后移动的距离由指示光栅和主光栅形成的莫尔条纹进行计数得到。指示光栅相对于长光栅移过一个节距，莫尔条纹变化一个周期。工作台移动进行长度

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