【doc】圓光柵直徑誤差檢測中信號的處理方法.doc

圓光柵直徑誤差檢測中信號的處理方法1蛔9卑10目光學(xué)工程第5期怠第83朝四光柵直徑誤差檢測中信號的處理方法龔親文呂文松游素芳(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)【摘要】為7比較真實地測量出躅光柵直徑誤差j砭劉線位置誤差0,.本文指出7對被測盤信號進(jìn)行差放處理的必要性.從理論進(jìn)行7分析,井用實驗進(jìn)行7驗證.一,圓光柵待測誤差項目柵是精密鋇j角儀器箜羞量垂,它的質(zhì)量好壞直接決定了測量儀器的精度.目前,對翻麗蕊蠶項:.一i.直徑誤差.(或刻線位置誤差0.)2.均,勻性誤差3.封閉誤差0,圓光柵刻線位置誤差0是指其柵線組實際刻劃位置與理論位置偏離的角度量.圓光柵直徑誤差.是指對徑兩柵線組刻線位置誤差的算術(shù)平均值.即圓光柵均句性誤差是光柵線紋質(zhì)量,黑自比,光密度等因素在整個測量范圍內(nèi)不一致所造成的定位誤差.也就是說,均勻性誤差的引起,同被測圓光柵線條寬窄變化,乳劑層厚薄不一致以及線條區(qū)域黑自點等疵病有關(guān).它們可歸結(jié)為在整個刻劃區(qū)域上,造成通光置不一致而引起光電信號變化?在電子線路中反映出來的是直流電平有起伏,從而引起相應(yīng)的角度謖差.圓光柵封閉誤差0,n是指它的起始柵線與終止柵線的不重合程度.它以首尾兩柵線的間二,測試方法比較和存在問題目前,對圓光柵直徑誤差-(或.-)的光電檢測,普遍采取莫爾條紋比相的方式進(jìn)行.在方法上,通常采用比較法與常角法兩種,在被測信號的電路上,有的采用直流電略系統(tǒng).?4?有的肘采用交流電路豌(見圖)圖l(a)出較法拴洲示意框圖被捌盤r信號11直流放大為常角c一倍2i:=:圈1(b)常角法格馴示意框圈只要所采用的電路和測試條件相同,比較和常角兩種方法測試結(jié)果,其直徑誤差.(或刻線位置誤差0.)的大小及分布一致但是,對同一塊圓光柵采用交,直兩種電路測試時,其一(或0.)的大小與分布就有差別.有的差別甚至較大.同樣,即使是采用同一直流電路系統(tǒng),如果采用不同的莫爾條紋信號對比度檢測,其.(拽0.)的溯試結(jié)果的大小與分布亦有區(qū)別.特別是當(dāng)被測盤均勻性誤差o與直徑誤差兩數(shù)值相當(dāng)或更大時,其差異更加明顯.另外,同一直流電路系統(tǒng),被測盤信號分別采用從它的同,反相端輸入(即前,后沿)比相測試時,其被測盤(或0.)的潮試結(jié)果也是耐樣地出現(xiàn)這種差異情況.三,誤差來源分析圈光柵采用直瀛電瞎系統(tǒng)測試它的直徑誤差i(或0,)時,其均勻性誤差基本上是1t1地反映到;(或0)中去,見圖2.該波形圖是假定被涮盤因黑自線條不等引起的均勻性誤差ao而帶進(jìn)到直徑誤差中的情況.波形e中的為被測盤在該位置沒有0引人的相位差,為被測盤在該位置目黑白線條寬窄不等引起直流電平變化,而使引入的相位差.所以,該處l:.+.亦即均勻性誤差0會lti地反映到i(或0.>中.因此,其直徑誤差(或0.)檢測結(jié)果并非純粹是;(或0)這一單項誤差指標(biāo),而反映出的是被翻盤綜合誤差(分度誤差,均勻性誤差等).采用交流電路系統(tǒng)測試時,均勻性誤差ao反映到直徑誤差.(或0.)中的程度,髓其電路耦合網(wǎng)路時間常數(shù)f的大小不同而各異.但不管怎樣,顯然沒有直流電路系統(tǒng)測試時反映到直徑誤差-(或0)中大.另外,被淵盤均勻性誤差的大小,同測試時所調(diào)信號對比度?45?n的高低有關(guān)(見表1).其關(guān)系是:當(dāng)對比度q低做鍘試時,均勻性誤差偏太.隨著的增高,0偏小i當(dāng)調(diào)高到一定程度時,基本上投有什么變化了.所以,圓光柵直徑誤差(或0)采用直流電路系統(tǒng)測試時,其測試結(jié)果與對比度的高低(即均勻性誤差大小的改變)商直接關(guān)系.通常,對圓光柵上述三項誤差檢測指標(biāo)是單獨提出的.因此,測試直徑誤差i(或0)時,應(yīng)避免將均勻性誤差混雜進(jìn)去.但現(xiàn)在,我們不管是采用直流還是交流電路系統(tǒng),所測試出來的結(jié)果并非真實反映出直徑誤差(或0)這一單項誤差指標(biāo).直流iii:_廠.【=:只:j=二j=_廿廿一辯螂.=:盹.:=n晰圖2波形固裹l圓光在不同對比鷹試時其均勻性臻墓結(jié)果l5_ll堅一百1言1?15i1?13l1?09i:卜一均勻性誤差2?21?電路測試結(jié)果為綜合誤差.而交流電路測試結(jié)果,當(dāng)電路耦合網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)t造得過小,直徑誤差(或0)中則會殘留一些.反之,i(或0)則要被攄掉一些.所以,用交流電路系锍譴試(或8.)時,事先必須反復(fù)實驗調(diào)整,以選擇好與之相匹配的t值.四,被測盤信號的差放處理為了比較真實地測量出圓光柵直徑誤差(或0),并從使用的角度出發(fā),莫爾條紋光電信號的處理,大都使用差放方式即共模抑時的方式.因此,我們認(rèn)為圓光柵以采用這種差放的方式測試為宜?現(xiàn)在的測量儀器,在電路上之所以采取差放的方式使用,主要是用以消除莫爾條紋信號中偶次諧波及圓光柵的均勻性謗差,并防止燈絲老化及電壓變億對信號零位的影響?所以,我們者采用差動放大的方式渙i試圓光柵直徑誤差(或0),則與使用條件是一致的.目前,各有關(guān)單位對圓光柵的檢測,其被涮信號的提取一般只從元件的接收窗口面積大小等情況去考慮了.但來見有提出過對被測信號進(jìn)行差放處理后再測試蚵意見.因此,提取的被翮i信號都是來消除直流分量的單路信號.這樣,電路不論是采用交流或直流系統(tǒng),其涮試結(jié)果均不能真實反映出被測盤的直徑誤差(或0),也與使用條件不一致.所以,一現(xiàn)在我們首次提出對被鍘信號事先進(jìn)行差放處理后再測試,這就克服了上面所避存在的問題.所謂差放方式檢測(見圖3),是將被測盤的讀數(shù)頭安放兩個光電接收元件(相互緊貼,徑向放置)見圖4所示.為了盡可能使兩路信號等幅且相位差互差18o.首先,需選好元?46?帕號件,盡最使兩元件性能一致其次,被測圓光柵的安裝偏心盡量調(diào)至最小狀態(tài).測試時,將這兩路原始信號經(jīng)過一比一差放,然后輸入到我們原有的直流電路系統(tǒng)參見圖1(a),圖1(b),同標(biāo)準(zhǔn)差信號比相(如用常角法,則被測盤兩讀數(shù)頭的各自差放信號自身進(jìn)行比相),通過一v(或a/d)轉(zhuǎn)換,最后,由記錄儀自動畫出誤差曲線,再由微機(jī)自動數(shù)據(jù)處理,便得出了被瀏圓光柵直徑誤差.(或0.)的分布和量值.這種測試結(jié)果,可以消除被瀏圓光柵均勻性誤差對(或日)的影響.圖3救測盤兩接收元件之信號蓋放簡圖.0廣ri(一z)=一(r?=r.)v】=u0一usinwtv2=ud+usln(t+)vdv】一v2=(u+usincot)一uo+usln(.t十)=2usincot所以,經(jīng)差動放大后,消除t直流分量u.五,結(jié)論通過對刻劃與復(fù)制出來的幾種圓光柵用原有的直流電路系統(tǒng)所做的測試實驗工作,我們從這些實驗比對數(shù)據(jù)中(見圖5圖8),完全可以得出以下幾點結(jié)論.(1)被測圓光柵取出的兩大小相等,相位相反的信號,經(jīng)差放后輸入到原有直流電路系統(tǒng)測試,比被測赫單路信號直接輸入到原有直流電路系統(tǒng)測試,所測得的直徑誤差i的量值偏小.特別是當(dāng)被測盤均勻性誤差同的數(shù)值相當(dāng)或比.更火時,用差放測試的.量值結(jié)果比不用差放測試的,偏小更為明顯光柵盤目4被測盤接收元件放置示意圖?47(2)被鍘盤差放信號分別從直流放大器同,反相端輸入測試,其所得到的兩的分布,大小趨于一致.而光是被測盤單路信號輸入測試時,則同,反相端所測得的兩i分布,大小有明顯差異特剮是當(dāng)被測盤均勻性誤差較大時,其兩者差異更為顯著.lll(3)被測盤采取差放測試,由于消除了均勻性誤差o的影響,所以,對所調(diào)莫爾條鼓信號對比度高低不一時,所得到的分布,大小一致性影響很小?而不用差放測試時,則各自測得的直徑誤差i的分布,大小差異大.需要說鸛的是:從理論上講,將被灝【圓光柵信號差放后測試,可以完全消除其均勻性誤差對直徑誤差的影響.但是,事實上兩接收元件的性能不完全一致j在測試中,被測盤偏心不可能完全理想,加之,兩元件所接收的刻劃區(qū)域及線條質(zhì)量不盡相同等原因,這就勢必造成兩元件直流電平及變化量,信號幅值不一致,兩互差180.的信號或多或少有變化a因而,引起兩被測信號差放后要殘留一些直流分量而帶進(jìn)直徑誤差.(或0)中.所以,采用差放方式,從直流放大器同,反相端分別輸入(即前,后沿)比相測試時,兩者測試結(jié)果,其(或0)的分布,大小略有變化.但完全能滿足測試工作的要求與測量精度.如果采取多次(錯位或連續(xù))測量,取其(或0)的均值進(jìn)行比較,可以肯定,兩者差異更小,效果更佳.?48?一.三琴薹圈5),.i慧jj.圍7?49/,二-二:,35./,廠,二二:/一一o?一i一,缸,.乏圈8總之,為了較真宴可靠獲得圓光柵直徑誤差(包括劉線位置誤差)這一單項指標(biāo)的分布,大小,我們提出并采用對被測信號差放后再進(jìn)行測試是十分必要和可行的.參考文獻(xiàn)1呂文松等,圓光柵的檢測廈數(shù)據(jù)處理,光學(xué)工程,1982年,第l期.2龔親文,對比度對直流系統(tǒng)測試圓光柵直徑誤差的影響,計量技木,1987f-,第7期.3龔親文,圃光柵光電檢測的幾個問題,1988年全國機(jī)械量測試技術(shù)和儀器學(xué)術(shù)會論文桑第3分冊.4李明媛,楊進(jìn)堂,計量光柵均勻性誤差的檢測,光學(xué)機(jī)械,1983-第2期.5龔親文,度盤,光柵盤斟巍位置誤差的檢翊lj廈數(shù)據(jù)處理方法,光學(xué)工程,1988年第4期signalprocessingmethodforcirculargratingerrordetectiongongqlngwen,lnwensong,yousufang(cl!er,gduiifp0foptics&electronics.cacademy0scie*ces)abstractinord