光柵莫爾條紋細(xì)分技術(shù)研究

1、編號(hào)20130921114 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光柵莫爾條紋細(xì)分技術(shù)研究Study on the subdividing technique for morie fringes of grating學(xué) 生 姓 名高飛專 業(yè)光電信息工程學(xué) 號(hào)0921114指 導(dǎo) 教 師趙馨分 院光電工程分院2013年 6月長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要光柵是一種精密測量裝置，測量原理是以光柵移動(dòng)形成的莫爾條紋為基礎(chǔ)。介紹輸出正弦信號(hào)和方波信號(hào)的光柵在位移測量中脈沖細(xì)分的常用方法，分析其中兩種方法的電路與波形并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證細(xì)分原理的正確性。本文對(duì)莫爾條紋細(xì)分技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了提高細(xì)分精度和

2、分辨力的解決方案。從基本原理上歸納總結(jié)實(shí)際應(yīng)用中各種細(xì)分方法的實(shí)現(xiàn)途徑和特點(diǎn)。 重點(diǎn)對(duì)莫爾條紋形成和特點(diǎn)進(jìn)行研究并對(duì)細(xì)分精度影響因素進(jìn)行理論分析；在常規(guī)信號(hào)調(diào)理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電路處理系統(tǒng)進(jìn)行分析，可極大提高細(xì)分精度，從而提高光柵傳感器的精度關(guān)鍵詞：光柵 莫爾條紋 細(xì)分 ABSTRACTGrating is one measuring device of high precision, and its measuring principle is based on Morie fringes which is created by grating moving. Introduces the

3、common methods which the grating of sinusoidal and square outputs utilizes in pulses subdividing during displacement measuring, and specially analyzes circuits and waveforms of two methods .Finally，one experiment is done on the two methods , and it proves the correctness of subdividing principleThe

4、formation and characteristics of Moire Fringes is studied perfectly and how to improve the subdivision precision and distinguishment are put forward in this thesis. The realizations and the characteristics of various subdivision methods according to the principle are summarized first.The tangent sub

5、division method of Moire Fringe is studied with emphasis and the factors which influence the subdivision precision are analyzed theoretically. Improving the accuracy of grating sensor by the analysis of circuit processing system Key Words: Grating Moire fringes Subdivision 目 錄第一章 緒 論11.1引言11.2國內(nèi)外的研究

6、現(xiàn)狀1國外光柵技術(shù)研究概況2國內(nèi)光柵研究概況21.3本課題研究的目的和意義3第二章 莫爾條紋原理及光柵傳感器42.1 光柵的基礎(chǔ)知識(shí)42.2 莫爾條紋的形成52.3 莫爾條紋的特點(diǎn)6誤差平均效應(yīng)7運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系7位移放大作用72.4 莫爾條紋信號(hào)預(yù)處理7信號(hào)調(diào)理7光強(qiáng)補(bǔ)償82.5光柵傳感器9第三章 電路及處理系統(tǒng)原理123.1 差分放大原理123.2光柵傳感器辯向原理133.3條紋細(xì)分技術(shù)17結(jié) 論32參考文獻(xiàn)33致 謝34長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 緒 論1.1引言 精密測量技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件之。從生產(chǎn)發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術(shù)的發(fā)展水平相

7、關(guān)的。由于有了千分尺類量具，使加工精度達(dá)到了0.01mm；有了測微比較儀，使加工精度達(dá)到了1m左右；有了圓度儀等精密測量儀器，使加工精度達(dá)到了0.1m；有了激光干涉儀，使加工精度達(dá)到了0.01m。目前國際上機(jī)床的加工水平已能穩(wěn)定地達(dá)到1m的精度，正在向著納米級(jí)的加工水平發(fā)展，表面粗糙度的測量則向亞納米級(jí)的水平發(fā)展。特別是20世紀(jì)60年代激光的問世以及后來的計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，給精密測量技術(shù)及其測量設(shè)備增添了無限生機(jī)和活力，極大地加速了它的發(fā)展。測量原理和技術(shù)不斷創(chuàng)新，測量器具和設(shè)備日新月異。測量方法和操作越趨簡明，為科學(xué)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步做出了越來越大的貢獻(xiàn)。 隨著測量技術(shù)的

8、飛速發(fā)展，對(duì)于精密測量儀器的要求越來越高。以計(jì)量光柵技術(shù)為基礎(chǔ)的精密測量器件已成為現(xiàn)代高精度測量系統(tǒng)的主導(dǎo)。計(jì)量光柵的核心是光柵莫爾條紋技術(shù)，它是以光柵(長光柵、圓光柵和編碼盤)為位移基準(zhǔn)，以莫爾條紋為技術(shù)基礎(chǔ)對(duì)幾何位移量(長度和角度)進(jìn)行精密測量的一門學(xué)科。光柵莫爾條紋測量技術(shù)是集光、機(jī)、電于一體的數(shù)字位移傳感技術(shù)，它采用光電轉(zhuǎn)換可將機(jī)械位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出，具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、非接觸、無磨損、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)角度、速度和相關(guān)機(jī)械物理量的測量，廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)測量機(jī)、精密機(jī)床等高精度位置測量領(lǐng)域1。 1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1950 年德國 Heidenh

9、ain首創(chuàng) DIADUR 復(fù)制工藝，使得制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺成為現(xiàn)實(shí)，光柵計(jì)量儀器才能為用戶所接受，進(jìn)入商品市場。半個(gè)多世紀(jì)以來，世界各國都在致力于發(fā)展高精度位置測量技術(shù)，研究開發(fā)新型的測量元件和信號(hào)細(xì)分技術(shù)。到目前為止，人們所公認(rèn)并得到廣泛應(yīng)用的位置測量技術(shù)是計(jì)量光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、容柵、球柵和激光等。在檢測系統(tǒng)中由于光柵測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、使用方便、價(jià)格適中，和其他測量系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。到上世紀(jì)90年代，國際市場上數(shù)控、數(shù)顯機(jī)床和測量機(jī)上80%以上的測量系統(tǒng)都采用光柵，國內(nèi)外光柵市場競爭比較激烈，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮2。 為了進(jìn)一步提高光柵測量系統(tǒng)的分辨率，

10、國內(nèi)外研究開發(fā)了多種不同的細(xì)分技術(shù)，主要包括機(jī)械細(xì)分法、光學(xué)細(xì)分法和電子細(xì)分法。在上世紀(jì)80年代，由于微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，使采用電子細(xì)分和數(shù)字化處理的辦法對(duì)測量傳感器的節(jié)距(信號(hào)周期)進(jìn)行電子細(xì)分和誤差修正，以提高測量系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)準(zhǔn)確度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度成為可能，光柵莫爾條紋的電子細(xì)分得到廣泛應(yīng)用。相繼出現(xiàn)基于莫爾條紋信號(hào)幅值調(diào)制、相位調(diào)制、微機(jī)細(xì)分、CCD成像細(xì)分及光纖法細(xì)分等細(xì)分技術(shù)。 國外光柵技術(shù)研究概況 德國 HEIDENHAIN 公司是當(dāng)今世界研制和生產(chǎn)直線光柵尺、角度編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)顯裝置和數(shù)控系統(tǒng)等產(chǎn)品的著名跨國公司。該公司在研發(fā)、生產(chǎn)和測試等各個(gè)環(huán)節(jié)都

11、嚴(yán)格進(jìn)行控制，測試項(xiàng)目涉及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)精度，細(xì)分誤差，沖擊和振動(dòng)，啟動(dòng)性能，環(huán)境試驗(yàn)，防護(hù)等級(jí)，電磁兼容等多個(gè)項(xiàng)目，該公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)都高于通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在尺體的制造上，HEIDENHAIN 采用影像測量原理的柵距為20m和40m；采用干涉測量原理的柵距為4m 。在信號(hào)輸出方式上，過去的光柵全部都采用11App的正弦電流信號(hào)輸出，現(xiàn)在改為輸出的正弦信號(hào)：1Vpp電壓信號(hào)，傳輸距離150 m；機(jī)床用的光柵尺輸出信號(hào)改為TTL方波，傳輸距離50 m，采用通用的D型插頭。西班牙FAGOR 公司1975年制造出第一臺(tái)數(shù)顯表，從此跨入光柵數(shù)顯、數(shù)控行業(yè)。FAGOR玻璃光柵尺的柵距為20m，最大測量長度3

12、m，準(zhǔn)確度±3m和±5m，分辨率從 5m到0.1m，最大速度120m/min；金屬反射式鋼帶尺柵距是40m和100m，準(zhǔn)確度分別為±5m和±10m，測量長度達(dá)到30m，最大速度達(dá)到120m/min。英國RENISHAW的光柵尺是鍍金的鋼帶光柵，測量長度可達(dá)70m，光柵尺可按設(shè)備的具體需要剪切至合適的長度，其背面有自粘的特別設(shè)計(jì)，能快速安裝。光柵尺的柵距有20m和40m兩種，讀數(shù)頭中有內(nèi)置細(xì)分卡可以對(duì)柵距進(jìn)行4400倍頻細(xì)分，分辨率從5m、1m、0.5m到50nm，最大測量速度180600m/min。若配置外置細(xì)分卡分辨率可以到20nm和10nm，相應(yīng)的速

13、度分別為300mm/s 和150mm/s。光柵尺的精度是任意1m長度上為±3m。 日本SONY 公司生產(chǎn)的用于反饋的磁柵尺SR33/34 有較高水平，輸出信號(hào)周期40m 的正弦波，分辨率0.05m 1m，準(zhǔn)確度±3m，最大速度 150m/min，測量長度從70mm2040mm，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到防水的IP65。SONY 公司用于大型機(jī)床的測量長度的長磁柵尺M(jìn)SS-101水平也很高，測量長度從 3200mm30m，分辨率為0.5m，最大速度為30m/min，準(zhǔn)確度為±5m 。SONY的絕對(duì)式磁柵尺2005年夏天已推出。 國內(nèi)光柵研究概況 我國在光柵方面的研究起步較晚，

14、加之國外技術(shù)的封鎖，研究的進(jìn)程也比較緩慢。在“七五”、“八五”期間，計(jì)量光柵的研究被國家列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)九十年代，隨著高精數(shù)控機(jī)床、精密測量儀器在機(jī)械、輕工、冶金及國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為計(jì)量光柵等精密測量裝置的研究、開發(fā)提供了一個(gè)良好的契機(jī)。 1.國內(nèi)光柵尺研制概況 中國大陸年生產(chǎn)光柵尺銷售額超過人民幣一千萬元以上的企業(yè)有長春光機(jī)、信和、怡信、萬濠、貴陽新豪。玻璃光柵尺的最大測量長度為3m，準(zhǔn)確度已達(dá)到±15m、±10m 、±5m和±3m，分辨率為5m和1m，速度為 60m/min。年生產(chǎn)20萬支光柵尺，并有30%出口，主要應(yīng)用于機(jī)床數(shù)顯

15、和測量儀器。圓光柵編碼器國內(nèi)最大的生產(chǎn)廠家是長春一光，有比較強(qiáng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力和銷售網(wǎng)絡(luò)，年產(chǎn)量25萬套。各企業(yè)的銷售額都在人民幣1億元左右，人平均產(chǎn)值1520萬元。 2.國內(nèi)信號(hào)細(xì)分和數(shù)字化電子裝置研究概況 目前，國內(nèi)研究和開發(fā)光柵檢測系統(tǒng)的各個(gè)單位都在研制各種經(jīng)濟(jì)型的位置測量產(chǎn)品，部分已批量投放市場，滿足國內(nèi)機(jī)床配套及技術(shù)改造的需要。這部分產(chǎn)品一般分辨率為 1m, 5m, 10m，精度為±5m±20m，同時(shí)，也都在以經(jīng)濟(jì)型光柵作為測量傳感器的前提下，為提高系統(tǒng)的分辨率而進(jìn)行莫爾條紋電子細(xì)分新技術(shù)的研究。1992年，沈陽工業(yè)大學(xué)數(shù)顯技術(shù)研究所設(shè)計(jì)研制了新型高精度的光

16、柵數(shù)顯裝置，精度達(dá)到0.1m。浙江大學(xué)、重慶大學(xué)研究出新型的莫爾條紋時(shí)空脈沖細(xì)分技術(shù)，精度達(dá)到0.1m；西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等科研單位也正在致力于微機(jī)細(xì)分技術(shù)的研究，以提高測量系統(tǒng)的精度。 341.3本課題研究的目的和意義 光柵作為精密測量的一種工具，已在精密儀器、坐標(biāo)測量機(jī)、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 光柵測量技術(shù)是以光柵形成的莫爾條紋為基礎(chǔ)的。由于兩塊疊放在一起的光柵的相對(duì)移動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生與之同步移動(dòng)的莫爾條紋信號(hào)。光柵盤上黑白刻線的相對(duì)移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)度周期性的變化，此光信號(hào)經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換成為周期性的電信號(hào)。 目前我國對(duì)于光柵測量技術(shù)的水平與國際先進(jìn)水平還存在一

17、定的差距，因此。以較為經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)光柵唯一高精度測量對(duì)于推動(dòng)我國的精密測量技術(shù)，精密加工技術(shù)的發(fā)展具有普遍意義，光柵位移測量系統(tǒng)的研究也將推動(dòng)我國光柵測量技術(shù)水平的提高。光柵莫爾條紋技術(shù)是一門既古老又現(xiàn)代的測量技術(shù)。對(duì)莫爾條紋的研究最早可以追溯到十九世紀(jì)末期，二十世紀(jì)五十年代以后開始應(yīng)用于實(shí)際測量，并逐步對(duì)莫爾條紋的形成機(jī)理開展了廣泛的研究，至今已形成了三種主要的理論：基于陰影成像原理：認(rèn)為由條紋構(gòu)成的軌跡可表示莫爾條紋的光強(qiáng)分布；基于衍射干涉原理：認(rèn)為由條紋構(gòu)成的新的光強(qiáng)分布可按衍射波之間的干涉結(jié)果來描述；基于傅立葉變換原理：認(rèn)為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項(xiàng)所組成。這三種理論都可以解釋

18、莫爾條紋現(xiàn)象。一般來說，光柵刻線較疏的可用遮光陰影原理來解釋，而光柵刻線較密的用衍射干涉原理來解釋則更為恰當(dāng)。莫爾條紋形成機(jī)理是所有光柵式測量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，深入研究光柵莫爾條紋形成機(jī)理，分析討論它的結(jié)構(gòu)及光強(qiáng)分布規(guī)律，這對(duì)光電位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善莫爾條紋光電信號(hào)質(zhì)量等都具有指導(dǎo)意義。第二章 莫爾條紋原理及光柵傳感器莫爾條紋是光柵測量的基礎(chǔ)，清楚了解莫爾條紋的形成、特點(diǎn)及信號(hào)必要的硬件處理是對(duì)其進(jìn)行高倍數(shù)高精度細(xì)分的前提條件。 2.1 光柵的基礎(chǔ)知識(shí) 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線是透明和不透明的，或是對(duì)光反射的和不反射的。圖2.1所示的是一塊黑白型

19、長光柵，平行等距的刻線稱為柵線。設(shè)其中透光的線寬為a，不透光的縫寬為b，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的縫寬，即a = b，也可刻成ab = 1.1：0.9。圖中d = a + b稱為光柵柵距（也稱光柵節(jié)距或稱光柵常數(shù)），它是光柵的一個(gè)重要參數(shù)。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。對(duì)于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。圖2.1 黑白型長光柵在幾何量精密測量領(lǐng)域內(nèi)，光柵按其用途分長光柵和圓光柵兩類?？坍嬙诓Ａ系墓鈻欧Q為長光柵，也稱光柵尺，用于測量長度或幾何位移。根據(jù)柵線型式的不同，長光柵分為黑白光柵和閃爍光柵

20、。黑白光柵是指指對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的光柵。閃爍光柵是指對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，也稱相位光柵。根據(jù)光線的走向，長光柵還分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是將柵線刻制在透明材料上，常用光學(xué)玻璃和制版玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬上，如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜（如鋁膜），光柵也可刻制在鋼帶上再粘結(jié)在尺基上。 刻畫在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻畫的方向，圓光柵分為兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的小圓相切。按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。計(jì)量光柵的分類可如圖2.2

21、所示 圖2.2 計(jì)量光柵的分類圖2.2 莫爾條紋的形成 莫爾即法語Moire音譯，意思是在水面上產(chǎn)生的波紋。兩塊光柵迭合時(shí)，也產(chǎn)生類似的波紋花樣，故由此得名。 并不是任意兩塊光柵重疊都能看到莫爾現(xiàn)象，由多個(gè)光柵在不同情況下重疊形成的莫爾圖案也并不是全都能看到，隨著各光柵之間的角度或相對(duì)位置發(fā)生改變后，形成的莫爾圖案的形狀、大小和位置也會(huì)改變。圖2.3(a)為長光柵結(jié)構(gòu)，光柵上平行等距的刻線稱為柵線，其中透光的縫寬為b ，不透光的縫寬為a。一般情況下，透光的縫寬與不透光的縫寬相等，即a = b，稱為光柵柵距（也稱光柵常數(shù)或光柵節(jié)距）；對(duì)圓光柵盤而言，更多使用柵距角的概念，即圓光柵盤上相鄰兩刻線所

22、夾角。 如果柵線間的夾角為，則光柵組透光部分呈菱形。當(dāng)有光源照射光柵時(shí)，綜合效果就是一組等間距亮帶形成了莫爾條紋，圖2.3(b)所示。(a)長光柵結(jié)構(gòu) （b）莫爾條紋的形成圖2.3 莫爾條紋產(chǎn)生原理當(dāng)兩塊迭合光柵沿著垂直于柵線方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，莫爾條紋便沿著與柵線近似的方向作相應(yīng)的移動(dòng)，兩塊光柵相對(duì)移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋間距。如果不考慮光柵的衍射作用，又設(shè)它們的柵距相等，縫寬和線寬都相等，則根據(jù)簡單的避光原理，在線重疊處兩塊光柵的柵線完全避光，透光量為0，在縫重疊處兩塊光柵柵線不彼此避光，通光量最大，此時(shí)光通過兩光柵后的能量分布將是一個(gè)三角波，但實(shí)際上由于光的衍射作用，光能量分布是一

23、個(gè)近似的正弦波。不難理解，當(dāng)很小時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵相對(duì)移動(dòng)方向近似垂直,產(chǎn)生莫爾條紋的寬度W 為： （2.1）莫爾條紋的移動(dòng)量D及主、副光柵間相對(duì)位移x之間的關(guān)系為： （2.2）式中放大倍數(shù)。單個(gè)光電元件只能接收固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而不能判別位移方向，而如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加，物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。 為達(dá)到這一目的，通常在指示光柵每隔1 /4莫爾條紋寬度處放置一個(gè)光電元件，即四個(gè)光電元件間距為W /4，這樣由光電元件得到相位相差 /2整數(shù)倍的四路信號(hào)

24、，經(jīng)差動(dòng)放大后得到正余弦信號(hào)和，兩路信號(hào)放大整形后送入電路，通過判斷相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后實(shí)現(xiàn)辨向。正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)位移量的準(zhǔn)確測量。在理想狀態(tài)下，光電元件輸出電壓u與光柵位移x之間關(guān)系可表達(dá)為： （2.3）其中v為光柵移動(dòng)速度，為光柵柵距， A為電壓幅值。由式（2.3）可知，當(dāng)信號(hào)電壓幅值一定時(shí)，光電元件輸出為理想正弦波，但由于光柵付相當(dāng)于諧波發(fā)生器，且照明光源、光柵間隙、光柵的衍射作用、光電元件特性等影響，光電元件輸出信號(hào)含有高次諧波，殘余的直流電平及直流電平變動(dòng)造成直流電平漂移，多路信號(hào)幅值的不一致性以及多路信號(hào)相位不正交

25、，導(dǎo)致光電元件輸出不是理想的正弦波。2.3 莫爾條紋的特點(diǎn) 莫爾條紋對(duì)微小位移和微小轉(zhuǎn)動(dòng)非常敏感，只要互相重疊的兩幅圖案之間的相對(duì)位置有一點(diǎn)點(diǎn)的變動(dòng),都可能帶來莫爾圖案的十分劇烈的變化，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)（位移量）的精確轉(zhuǎn)換。 莫爾條紋具有幾點(diǎn)重要特征。 誤差平均效應(yīng)莫爾條紋測量與一般線紋尺式測量是不同的。線紋尺的測量過程是對(duì)一根刻線進(jìn)行瞄準(zhǔn)，因此任何一個(gè)刻線間隔的誤差都將1:1地反映到測量結(jié)果中去。而在光柵式測量中，光電元件接收的是一個(gè)區(qū)域中所含的柵線形成的莫爾條紋，由光柵的大量柵線共同形成，個(gè)別柵線的柵線誤差或者個(gè)別柵線的斷裂或其它疵病，對(duì)整個(gè)莫爾條紋的位置及形狀的影響將很微小，即莫爾條

26、紋在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響。這時(shí)，數(shù)條莫爾條紋所指示位置的平均標(biāo)準(zhǔn)差和單根柵線所指示位置的標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系可由下式表示： （2.4）其中n為參與形成莫爾條紋的柵線數(shù)。 可見莫爾條紋位置測量的可靠性大為提高，個(gè)別柵線的柵距誤差對(duì)測量結(jié)果的影響被減小，光柵式測量可以有更高的精度。 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與兩光柵的相對(duì)位移量、位移方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主光柵沿與柵線垂直的方向相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d 時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋的寬度W；在兩塊光柵的柵線交角 一定的條件下，莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵的位移方向相同。因此，測量時(shí)可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量和移

27、動(dòng)方向判定光柵的位移量和位移的方向。 位移放大作用 由于兩光柵的夾角很小，光柵柵距d 和莫爾條紋寬度W 有如下近似關(guān)系: （2.5）可以看出,莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為1 /。當(dāng)很小時(shí)，d和W的比值很大，所以盡管用肉眼難以觀察到柵距，但莫爾條紋卻清晰可見，這一點(diǎn)對(duì)于布置接收莫爾條紋信號(hào)的光電器件來說非常有利。 2.4 莫爾條紋信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)調(diào)理光電元件接受到的光柵衍射后的莫爾條紋，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接獲得的莫爾條紋電信號(hào)非常微弱，通常為微安級(jí)的電流信號(hào)，幅值小、功率小，無法滿足莫爾條紋檢測和細(xì)分要求，因此要實(shí)現(xiàn)細(xì)分必須對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，主要為信號(hào)的放大和濾波。 信號(hào)調(diào)理電路如圖2

28、.4所示，利用運(yùn)算放大器構(gòu)成微電流放大轉(zhuǎn)換電路，該電路具有較大的放大倍數(shù)及較寬的可調(diào)范圍，輸出電壓： （2.6）當(dāng)可調(diào)電阻R1=4.7K時(shí)，T 形電路的等效電阻Rf =3.2K饋回路跨接0 .1F的鉭電容，降低放大過程中的高頻噪聲，電容在電路中有100%的負(fù)反饋。調(diào)零電路可以有效消除光電元件暗電流及運(yùn)放的零點(diǎn)漂移。圖2.4 莫爾條紋信號(hào)調(diào)理電路為進(jìn)一步提高系統(tǒng)檢測的靈敏度，信號(hào)放大后應(yīng)采用有源二階低通濾波器濾除莫爾條紋信號(hào)中的高頻噪聲分量，電路中的運(yùn)放應(yīng)具有輸入阻抗高、輸出阻抗低及高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，這樣可以保證有源濾波器的簡單構(gòu)成和良好性能。 光強(qiáng)補(bǔ)償莫爾條紋信號(hào)細(xì)分之前除了要

29、進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理，光源本身的穩(wěn)定性也是影響細(xì)分精度的重要因素，因?yàn)楣鈴?qiáng)的偏移會(huì)對(duì)測量精度帶來系統(tǒng)誤差，一般說來，光源在長期工作狀態(tài)下時(shí)的光強(qiáng)波動(dòng)率應(yīng)不超過±5%。 光柵測量系統(tǒng)一般采用N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)實(shí)時(shí)改變放大電路的增益，來抑制光強(qiáng)的波動(dòng)。原理是采用場效應(yīng)管對(duì)管連接方式，取一束不經(jīng)光柵衍射的直接照射到光電元件上的光束作為參考光源，參考光源的波動(dòng)規(guī)律與所檢測的莫爾條紋相同，補(bǔ)償電如圖2.5所示：圖2.5 光強(qiáng)補(bǔ)償電路放大電路增益： （2.7）當(dāng)光強(qiáng)增大時(shí)，參考光源信號(hào)INPUT相應(yīng)增大，引起JFET的漏源電阻增大，放大倍數(shù)K下降，從而使輸出信號(hào)OUTPUT下降；反之

30、光強(qiáng)減小時(shí)，放大倍數(shù)K增大，從而使輸出信號(hào)OUTPUT增加。這樣當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償電路可實(shí)時(shí)地抑制因光強(qiáng)波動(dòng)而產(chǎn)生的莫爾條紋信號(hào)波動(dòng)。 2.5光柵傳感器 光柵傳感器由光柵、光路、光電元件和轉(zhuǎn)換電路等組成。下面以黑白投射光柵為例說明光柵傳感器的工作原理。如圖2.6所示。 1、光源2、聚光鏡3、主光柵4、指示光柵5、光電元件圖2.6 黑白投射光柵光路主光柵比指示光柵長得多，主光柵與指示光柵之間的距離為d，d可根據(jù)光柵的柵距來選擇，對(duì)于每毫米25線到100線的黑白光柵，指示光柵應(yīng)置于主光柵的“費(fèi)涅耳第一焦面上”，即 (2.8) 式中：光柵柵距； 有效光的波長； 兩光柵的距離；主光柵和指示光柵在平

31、行光的照射下，形成莫爾條紋。主光柵是光柵測量裝置中的主要部件，整個(gè)測量裝置的精度主要由主光柵的精度來決定。光源和聚光鏡組成照明系統(tǒng)，光源放在聚光鏡的焦平面上，光線經(jīng)聚光鏡成平行光投向光柵。光電元件主要有光電池和光敏晶體管。它把由光柵形成的莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電量輸出。光電元件最好選用敏感波長與光源相接近的，以獲得較大 的輸出，一般情況，光敏元件的輸出都不是很大，需要同放大器、整形器一起將信號(hào)變?yōu)橐蟮妮敵霾ㄐ巍?經(jīng)過前面的分析可知，莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶。從圖2.7看出，兩條暗帶中心線之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗， 再到最暗的漸變過程。 正

32、最大 負(fù)最大 正最大 a b c d e f g 位移x圖2.7光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就變化一個(gè)周期，通過光電轉(zhuǎn)換元件，可將莫爾條紋的變化變成近似的正弦波形的電信號(hào)。電壓小的相應(yīng)于暗條紋，電壓大的應(yīng)于明條紋。它的波形看成是一個(gè)直流分量上疊加一個(gè)交流分量。 (2.9)式中：柵距； 主光柵與指示光柵間瞬間位移；U0直流電壓分量；Um交流電壓分量幅值；輸出電壓；由式(2.9)可見，輸出電壓反映了瞬時(shí)位移的大小，當(dāng)x從0變化到W時(shí)，相當(dāng)于電角度變化了360°，如采用50線/mm光柵時(shí)，若主光柵移動(dòng)了x毫米，即50x條線將此條數(shù)用計(jì)數(shù)器記錄，就可知道移動(dòng)的

33、相對(duì)距離。第三章 電路及處理系統(tǒng)原理3.1 差分放大原理光柵傳感器的四路輸出信號(hào)(正弦，負(fù)正弦，余弦，負(fù)余弦)含有直流成分，采用差動(dòng)放大器去掉直流電平。四路信號(hào)表達(dá)式如下: （3.1）這里采用差動(dòng)放大器 LM324N , 分別將兩路信號(hào)送入放大器的輸入端，進(jìn)行相減運(yùn)算，得 （3.2） （3.3）當(dāng)則上式變?yōu)?（3.4） （3.5）差動(dòng)放大器輸出一個(gè)放大的不含直流成分的正弦波信號(hào)。LM324N是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖4.1所示的符號(hào)來表示。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，9(-)為反相輸入端

34、，表示運(yùn)放輸出端8(0UT)的信號(hào)與該輸入端的相位相反;10(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端8(OUT)的信號(hào)與該輸入端的相位相同，放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻R1、R2決定，Av=-R2/R1負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖3.1中所給數(shù)值，放大倍數(shù)為1,此電路僅用做減法電路。 LM324N的其特點(diǎn)是:可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作;四個(gè)運(yùn)放的一致性很好;輸入偏流電阻是溫度補(bǔ)償?shù)模恍柰饨宇l率補(bǔ)償;輸出電平與數(shù)字電路兼容。單電源供電為3VDC30VDC，雙電源供電為，這里電阻都取10k阻值，將input1和input3(正弦信號(hào))送入差動(dòng)運(yùn)算放大器，輸出為放大的不含

35、直流成分的正弦波信號(hào)。同理我們將input2和input4(余弦信號(hào))送入差動(dòng)運(yùn)算放大器，輸出為放大的不含直流成分的余弦波信號(hào)。圖3.1差分放大電路3.2光柵傳感器辯向原理在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測物體的移動(dòng)往往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測量位移3。設(shè)主光柵隨被測零件正向移動(dòng)10個(gè)柵距后，又反向移動(dòng)一個(gè)柵距，也就是相當(dāng)于正向移動(dòng)了9個(gè)柵距?？墒牵瑔蝹€(gè)光電元件由于缺乏辨向本領(lǐng)，從正向運(yùn)動(dòng)的10個(gè)柵距得到10個(gè)條紋信號(hào)，從反向運(yùn)動(dòng)的一個(gè)柵距又得到一個(gè)

36、條紋信號(hào)，總計(jì)得到11個(gè)條紋信號(hào)。這和正向運(yùn)動(dòng)11個(gè)柵距得到的條紋信號(hào)數(shù)相同。因而這種測量結(jié)果是不正確的。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。完成這種辨向任務(wù)的電路就是辨向電路。為了能夠辨向，應(yīng)當(dāng)在相距0.25B的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，以得到兩個(gè)相位互差90°的正弦信號(hào)，然后送到辨向電路中去處理，辨向電路原理框圖如圖3.2所示。 圖3.2 辨向電路原理圖主光柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，這時(shí)光電元件1和2分別輸出的正弦電壓波形u1和u2，而且u1超前u290°。u1和u2

37、經(jīng)整形放大后得到兩個(gè)方波信號(hào)u1'和u2 '，且u1'仍超前u2 ' 90°。 u1"是u1'反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"兩個(gè)方波經(jīng)微分電路后得到的波形。由圖3.2分析可知，對(duì)于與門1，由于u1'w處于高電平時(shí)，u2 '總是低電平，因而與門1輸出為零。對(duì)于與門2，u1"w處于高電平時(shí)，u2 '也正處于高電平，因而與門2有信號(hào)輸出。當(dāng)主光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)。這時(shí)光電元件1和2分別輸出的正弦電壓波形u1滯后u2 90°。u1

38、和u2經(jīng)整形放大后得到兩個(gè)方波信號(hào)u1'和u2 '，且u1'仍滯后u2 '90°。同樣，u1"是u1反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"兩個(gè)方波經(jīng)微分電路后得到的波形。同樣由圖3.2分析可知，對(duì)于與門1，由于u1'w處于高電平時(shí)，u2 '也處于高電平，因而與門1有信號(hào)輸出。對(duì)于與門2，u1"w處于高電平時(shí)，u2 '卻處于低電平，因而與門2無輸出。具體辨向電路各點(diǎn)波形圖如圖3.3所示。正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖

39、數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向，因而可以進(jìn)行正確的測量。 （a）正向移動(dòng)的波形 （b）反向移動(dòng)的波形圖3.3 辨向電路各點(diǎn)波形圖 在實(shí)際的設(shè)計(jì)電路中，辨向電路的設(shè)計(jì)是與四細(xì)分電路的設(shè)計(jì)相結(jié)合起來的，也就是說，先是四倍頻細(xì)分電路，其輸出的方波信號(hào)再進(jìn)入辨向電路。四倍頻細(xì)分電路輸出的方波信號(hào)互差90°。具體辨向電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4 辨向電路原理圖A和B是五倍頻細(xì)分電路所產(chǎn)生的兩路相差90°的方波信號(hào)。A、B A和B分別是四倍頻細(xì)分電路所產(chǎn)生的方波信號(hào)，DG5和DG10是集成電路74LS54四與或非門。由于在正向移動(dòng)時(shí)，U01有信號(hào)輸出，U02沒有信號(hào)輸出，這樣既可以實(shí)

40、現(xiàn)了變向，又可以實(shí)現(xiàn)了20倍頻細(xì)分。當(dāng)反向移動(dòng)時(shí)，U01沒有信號(hào)輸出，U02有信號(hào)輸出。波形如圖3.5所示4。(a) 正向移動(dòng)時(shí)的波形圖（b）反向移動(dòng)時(shí)的波形圖圖3.5 辨向電路各點(diǎn)的波形圖3.3條紋細(xì)分技術(shù) 高精度的計(jì)量和檢測，通常要求長度精確到1m 0.1m，如果以光柵的柵距作為計(jì)量單位，則只能技術(shù)整條紋，其數(shù)值遠(yuǎn)大于上述的要求5。例如，光柵為每毫米250線時(shí)，移動(dòng)一個(gè)柵距的位移量為4m，即相當(dāng)于最小讀數(shù)值0.1m的40倍。要達(dá)到上述要求的準(zhǔn)確度數(shù)值，長光柵柵線密度必須達(dá)到每毫米千條線到萬條線。就目前工藝水平而言，每毫米千條線則無法實(shí)現(xiàn)，也沒有必要?？叹€密度如此大的光柵是不適宜作標(biāo)準(zhǔn)器的。

41、因此，在選取合適的光柵柵距的基礎(chǔ)上，對(duì)光柵柵距細(xì)分，讀取柵距的分?jǐn)?shù)值，即可得到所需要的最小數(shù)值，提高“分辨”能力6。 光柵細(xì)分的方法有三種，一是機(jī)械細(xì)分法（增加光柵刻線密度）。這種方法國外曾采用過，但由于該法受到工藝限制，所以，一般來說，對(duì)于比每毫米250條更細(xì)的光柵是不適用的。二是電子細(xì)分法。這種細(xì)分方法是最通用的。采用電子技術(shù)對(duì)交變電信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插、補(bǔ)插的方法提高了技術(shù)脈沖的頻率，故電子細(xì)分又稱為倍頻。三是機(jī)械-光學(xué)的方法。采用這種方法細(xì)分時(shí)，位移的分?jǐn)?shù)值通過微動(dòng)的指示光柵達(dá)到預(yù)定的基準(zhǔn)相位的位置，即所謂“歸零而測得”，又稱為零位法，其缺點(diǎn)是每次讀數(shù)必須歸零。但電子系統(tǒng)簡單，細(xì)分力強(qiáng)，精度也

42、高7。在前面討論的光柵測量原理中可知，以移過的莫爾條紋的數(shù)量來確定位移量，其分辨率為光柵柵距。為了提高分辨率和測量比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)。所謂細(xì)分，就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量，如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，即可使測量精度提高到n倍，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高到了n倍，因此也稱之為n倍頻。下面介紹電子細(xì)分法中常用的幾種細(xì)分方法：1、直接細(xì)分 直接細(xì)分又稱位置細(xì)分8。直接細(xì)分常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距B/4的光電元件，這樣可以獲得依次相差90°的4個(gè)正弦交流信號(hào)。用鑒零器分別鑒取4個(gè)信號(hào)的零電平

43、，即在每個(gè)信號(hào)由負(fù)到正過零點(diǎn)時(shí)發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。這樣，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。四細(xì)分也可用相距B/4的位置上放兩個(gè)光電元件來完成。兩個(gè)光電元件輸出兩個(gè)相位差90°的正弦交流信號(hào)U1和U2，而U1、U2再分別通過各自的反相電路，從而得到U3=-U1，U4 = -U2，這樣也可以獲得依次相差90°相角的四個(gè)正弦交流信號(hào)U1、U2、U3 和U4。同上述一樣，經(jīng)電路處理也可以在移動(dòng)一個(gè)柵距的過程中得到4個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)脈沖，從而達(dá)到四細(xì)分的目的。（a）每變化一周的一個(gè)脈沖數(shù)(b) 每變化一周的四個(gè)脈沖數(shù)圖3.6 細(xì)分和未細(xì)分的波形比較使用單個(gè)光電元件為

44、進(jìn)行細(xì)分時(shí)的波形和脈沖數(shù)見圖3.6(a)，四細(xì)分時(shí)的波形和脈沖數(shù)見圖3.6(b)。 位置細(xì)分法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。缺點(diǎn)是由于光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。 由位置細(xì)分的分析可見，細(xì)分的關(guān)鍵是在莫爾條紋一個(gè)周期內(nèi)得到彼此相差同一相位角的若干個(gè)正弦交流信號(hào)，從而通過電路處理，一個(gè)莫爾條紋周期就可得到若干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，從而達(dá)到細(xì)分的目的。 2.電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）如圖3.7所示，由同頻率的兩個(gè)信號(hào)源u1和u2及電阻R1、R2組成電橋9，其輸出電壓為： (3.6)圖3.7 電阻電橋細(xì)分原理若、 ，同時(shí)又設(shè) ，則 (3.7) 用此信號(hào)去觸發(fā)施

45、密特電路，當(dāng)（或）時(shí)，施密特電路被觸發(fā)（過零觸發(fā)），發(fā)出脈沖信號(hào)。角按細(xì)分?jǐn)?shù)選擇，即事先安排好之值。3、電阻鏈細(xì)分法電阻鏈細(xì)分本質(zhì)上屬于電阻電橋細(xì)分，只是在結(jié)構(gòu)上略有差異，實(shí)際應(yīng)用的場合也有所不同10。 電橋細(xì)分是正、余弦模擬信號(hào)細(xì)分技術(shù)的基礎(chǔ)。 電阻鏈細(xì)分主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)正、余弦模擬信號(hào)的細(xì)分，其工作原理是：將正、余弦信號(hào)施加在電阻鏈兩端，在電阻鏈的接點(diǎn)上得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)整形、脈沖形成后，就能在正、余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)獲得若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。如圖3.8所示，圖中u1和u2是光電元件輸出的兩路信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)于正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。設(shè)電阻鏈由電阻R1和R2串聯(lián)而成，電阻鏈

46、兩端加有交流電壓u1、u2，其中，u1=Esint， u2=Ecost a) 原理圖 b) 矢量圖圖3.8 電阻鏈分相細(xì)分結(jié)合實(shí)際要求的技術(shù)指標(biāo)，由于選擇的光柵測微傳感器是50線的，所以要想達(dá)到1m的精度，必須對(duì)光柵測微傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大后，產(chǎn)生sint、cost、-sint的信號(hào)進(jìn)行20細(xì)分。根據(jù)細(xì)分的原理，先是對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行五倍頻細(xì)分，五倍頻細(xì)分是采用電阻鏈細(xì)分的方法，具體的電路如圖3.9所示。 由圖3.9可知，通過電阻鏈得到了10個(gè)移相信號(hào)。根據(jù)等值細(xì)分的要求，移相角 = k*18°（k=0,1,2,3.9)。根據(jù)前面分析的計(jì)算公式，可以求得21RR的值為：0、0.32

47、49、0.7256、1.3764和3.0777。兼顧到電阻系列的標(biāo)稱值，在實(shí)際電路中電阻值分別是18、24、33、56四種。圖3.9 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路原理圖10個(gè)移相的正弦信號(hào)經(jīng)過10個(gè)電平比較器得到10路相位依次相差18°的方波。電壓比較器接成施密特觸發(fā)電路的形式，使其上升沿和下降沿的觸發(fā)點(diǎn)具有不同的觸發(fā)電平，這個(gè)電平差稱為回差電壓。讓回差電壓大于信號(hào)中的噪聲幅值，可避免比較器在觸發(fā)點(diǎn)附近因噪聲來回反轉(zhuǎn)，回差電壓越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但回差電壓的存在使比較器的觸發(fā)點(diǎn)不可避免地偏離理想觸發(fā)位置，造成誤差，因此回差電壓的選取應(yīng)該兼顧抗干擾和精度兩方面的因素。再經(jīng)過異或門電路組合，獲

48、得在一個(gè)周期內(nèi)兩路相位差90°的占空比為1：1的五細(xì)分方波信號(hào)。五倍頻細(xì)分電路的工作波形如圖3.10所示11圖3.10 電阻鏈五倍頻細(xì)分電路的波形圖將五倍頻細(xì)分電路輸出的兩路方波信號(hào)A和B接至四倍頻電路的兩個(gè)輸入端，就可以組成一個(gè)20細(xì)分電路。具體的四細(xì)分實(shí)現(xiàn)電路如圖3.11所示。四細(xì)分電路的波形圖如圖3.12所示。圖3.11 四倍頻細(xì)分電路原理圖圖3.12 四細(xì)分電路的波形圖細(xì)分精度的高低取決于兩個(gè)因素：（1）細(xì)分電路的性能；（2）光柵信號(hào)的質(zhì)量。一方面，應(yīng)當(dāng)以可能獲得高質(zhì)量的光柵信號(hào)為前提，提出合適的細(xì)分?jǐn)?shù)和細(xì)分精度要求；另一方面，不應(yīng)當(dāng)片面強(qiáng)調(diào)光柵信號(hào)側(cè)高質(zhì)量，因?yàn)楣鈻抛鳛闃?biāo)準(zhǔn)

49、器是不可能沒有誤差的。因此，要權(quán)衡兩個(gè)方面，以求得合理解決光柵細(xì)分的精度問題。電子細(xì)分對(duì)光柵信號(hào)有以下幾點(diǎn)要求： （1）光柵信號(hào)的正弦性； （2）光柵信號(hào)的等幅性； （3）光柵信號(hào)的正交性； （4）全光柵波形一致性； （5）共模電壓抑制； （6）反差；4、鑒相細(xì)分鑒相式細(xì)分是通過信號(hào)的相位差來模擬光柵系統(tǒng)的位移，然后對(duì)信號(hào)的相位差進(jìn)行細(xì)分12。鑒相式細(xì)分的實(shí)現(xiàn)首先需要把被測信號(hào)調(diào)制成調(diào)相波。原理框圖如圖3.13所示，、是相位差90度的兩路正交信號(hào)，、。是引人的高頻載波信號(hào)，將它們相乘，按照三角函數(shù)中兩角和的公式然后相加，得到調(diào)相信號(hào)。 其計(jì)算公式如下 （3.8）其中光柵的機(jī)械位移角，x光柵傳感

50、器的相對(duì)位移量，d光柵的柵距。圖3.13鑒相式細(xì)分原理在這里已經(jīng)從空間信號(hào)參量變?yōu)闀r(shí)間信號(hào)參量，雖然在數(shù)值上仍然等于dx/2。然后將sin(t+)和進(jìn)行比相，通過開關(guān)控制填充的脈沖數(shù)，進(jìn)行相位跟蹤，從而完成細(xì)分。該方案細(xì)分?jǐn)?shù)大，精度較高，對(duì)信易波形的正交性要求嚴(yán)格，電路比較復(fù)雜。適用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)測量。這種方法的最佳之處在于將位移量這個(gè)時(shí)空信號(hào)轉(zhuǎn)變成相位信號(hào)，測量出相位的大小，即可推算出位移量。這種方法可以得到較高的細(xì)分?jǐn)?shù)，通常為2001000。但是相位調(diào)試細(xì)分法對(duì)運(yùn)動(dòng)的均勻性要求較高。該方法要求調(diào)制信號(hào)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器輸出信號(hào)的頻率，否則，在動(dòng)態(tài)測量中容易引入誤差。5、鎖相細(xì)分法鎖相環(huán)路1

51、3是一個(gè)能夠跟蹤輸人信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、測量等電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，鎖相倍頻器原理如圖3.14所示。鎖相倍頻器是鎖相環(huán)應(yīng)用的一種。鎖相倍頻細(xì)分采用的是鎖相跟蹤倍頻器即鎖相環(huán)，它是由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器四部分組成。其功能是倍頻和鎖相跟蹤。所謂倍頻，即通過壓控振蕩器使輸出信號(hào)頻率是輸人信號(hào)頻率的N倍，所謂跟蹤，即使輸出信號(hào)的相位跟蹤輸人信號(hào)，并使兩者同步。圖3.14 鎖相倍頻器的原理圖鎖相細(xì)分法的原理是將分頻器的輸出信號(hào)與傳感器的輸出信號(hào)通過鑒相器處理后，控制壓控震蕩器輸出信號(hào)的頻率，壓控震蕩器的輸出即為所需的倍頻信號(hào)。由于壓控震蕩器輸出信號(hào)

52、的頻率為傳感器的信號(hào)頻率的N倍，因此必須通過一個(gè)N倍的分頻器分頻后才能送入鑒相器。這里的分頻器就是細(xì)分環(huán)節(jié)，細(xì)分?jǐn)?shù)由分頻器的分頻數(shù)決定。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，信號(hào)相應(yīng)發(fā)生變化，為了鑒別輸入信號(hào)的相位，并且每次比相都以前一個(gè)周期的信號(hào)相位為基準(zhǔn)，那么將壓控振蕩器的輸出信號(hào)。進(jìn)行N分頻后與光柵莫爾條紋信號(hào)比相。由于輸出信號(hào)F與莫爾條紋信號(hào)f是每周期比相一次，所以壓控振蕩器控制電壓也是每周期變化一次。若在某次比相時(shí)莫爾條紋信號(hào)相位變化則鑒相器輸出信號(hào)Ud=2K/N用它去控制壓控振蕩器，并恰當(dāng)選取壓控振蕩器的顫動(dòng)元件，使壓控振蕩器倍頻N倍，那么輸出信號(hào)相位剛好變化一個(gè)周期。若壓控振蕩器每一個(gè)周期輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈

53、沖，則當(dāng)莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期時(shí)，壓控振蕩器便發(fā)出N個(gè)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)光柵莫爾條紋信號(hào)的N細(xì)分14。鎖相細(xì)分法可以達(dá)到較高的細(xì)分?jǐn)?shù)，但該方法對(duì)信號(hào)的勻速要求較高，因此在使用范圍上會(huì)受到一定的限制。采用純電子細(xì)分方法系統(tǒng)的硬件電路比較復(fù)雜。由于純硬件電子細(xì)分方法對(duì)信號(hào)的要求比較高，且調(diào)整復(fù)雜，所以硬件電子細(xì)分法無法應(yīng)用于高分辨率的系統(tǒng)。6、微機(jī)細(xì)分技術(shù)隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用微型計(jì)算機(jī)通過數(shù)字計(jì)算進(jìn)行細(xì)分的方法開始出現(xiàn)。微機(jī)細(xì)分技術(shù)15從原理上可以分為以下三類。與硬件相結(jié)合細(xì)分技術(shù)是在硬件電子細(xì)分法的基礎(chǔ)上，引入微型計(jì)算機(jī)以簡化電路結(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。此類細(xì)分系統(tǒng)中，微型計(jì)算機(jī)并不直

54、接進(jìn)行信號(hào)細(xì)分，因此信號(hào)的細(xì)分分辨率還是由系統(tǒng)原有的硬件決定，但采用軟件代替速度判別電路，得到位移量和最大位移量等。時(shí)鐘脈沖細(xì)分技術(shù)是將位移信號(hào)的細(xì)分轉(zhuǎn)化為計(jì)時(shí)的方法，在信號(hào)的位移區(qū)間內(nèi)填入微機(jī)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，根據(jù)所填的脈沖數(shù)目就可以確定出要求的位移。由于微機(jī)時(shí)鐘脈沖頻率或分頻數(shù)改變方便，大大簡化了硬件電路，避免了硬件電路中各種干擾帶來的影響，保證測量結(jié)果的穩(wěn)定和可靠。然而由于速度誤差和信號(hào)相位誤差的存在，時(shí)鐘脈沖信號(hào)細(xì)分技術(shù)應(yīng)用范圍受到相應(yīng)限制。量化細(xì)分技術(shù)是通過傳感器輸出兩路正交的正弦信號(hào)，首先將一路信號(hào)經(jīng)放大整形后得到方波信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)方波信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)將兩路正弦信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)兩路信號(hào)的正負(fù)和大小，將一個(gè)信號(hào)周期細(xì)分為八個(gè)相位區(qū)間，再根據(jù)兩路正弦信號(hào)的絕對(duì)值之比查表確定細(xì)分?jǐn)?shù)。如果需要進(jìn)一步的細(xì)分，可在每個(gè)區(qū)內(nèi)再進(jìn)一步細(xì)分。量化細(xì)分的倍頻數(shù)可根據(jù)A/D的位數(shù)設(shè)定，且細(xì)分倍數(shù)和精度較高，是目前應(yīng)用較多的一種微機(jī)細(xì)分技術(shù)。微機(jī)細(xì)分技術(shù)充分利用了計(jì)算機(jī)