精密光栅光学分度头的莫尔条纹数字化细分方法研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.27MB 67 页 15积分
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摘 要
光栅测量技术是根据光栅副所形成的莫尔条纹信号为基础，是集光、电、机
于一体化的数字传感技术，在仪器仪表与计量、工业生产等领域中起着关键性的
作用。莫尔条纹经过光电传感器将光信号转换为电信号后，经过放大、整形、细
分和辨向等处理，可以将莫尔信号进行数字化，实现仪器的自动测量与数字控制
及数字显示。
随着光栅刻线技术和电子技术以及计算机技术的迅速发展，使得光栅传感器
获得的莫尔信号质量得到了很大的改善，高精度计量和精密测量位移量和角度量
成为当前研究方向。结合数字信号处理器 DSP 在处理速度和算法上体现出的巨
大优势，将其应用在光栅测量系统中可以有效的提高测量精度和智能化程度，从
而提高了细分数和细分速率，也保证了细分信号的质量。
论文简单介绍了光栅测量的发展与国内外研究现状，分析了莫尔条纹的机理
和一些特点，并讨论了莫尔条纹的细分方法及各方法的优缺点，从而结合光栅测
量系统的原理，提出了本课题研究的正切细分法。文中对该方法进行了详细的讨
论与研究，包括区间划分与基本工作原理，以及对误差的产生和相位补偿算法也
进行了一定的研究。光栅测量系统的硬件部分主要由 DSP 及其外围电路部分组
成，对各部分的设计进行了描述，在软件部分主要是完成数据采集和算法的编程
及其其它部分的一些处理。
本课题的研究在算法上可以有效的改善莫尔条纹的信号质量，提高测量精度
及分辨率，并对光栅测量技术具有一定的实际工程价值。
关键词：光栅测量 莫尔条纹 数字信号处理 细分 辨向
ABSTRACT
Grating measuring technology is based on the moiré fringe signal which is
formed by the grating-coupled. It is the technology of digital sensor collected by light,
electric, machine and plays an important role in the fields of instrumentation,
measurement and industrial production. After moiré fringe signals convert optical
signals into electrical signals by the photoelectric sensors and undergo a series of
processing such as amplifying, shaping, subdividing and sensing which make the
instrument measure automatically and achieve digital control and digital display.
With the development of grating process, electronic and computer technology,
the signal quality can be improved greatly that high-precision measurement has
become the current research focus. Combined with the enormous advantage of high
processing speed and algorithm of digital signal processor, it can improve the
accuracy and intelligence of the grating measuring system so that speed up the
subdivision's rate and quantities but also assure the quantity of signal.
This paper introduces the development of the grating measuring system and the
domestic and international research status. It analyses the principle and characteristic
of moiré fringe. Meanwhile, it makes a detailed discussion of the several subdivision
methods and their strengths and weaknesses. Finally, the tangent method by grating
measurement has been proposed. Much research has been done in this paper that
sections and basic principle are put forward in this thesis. In order to improve the
precision, the error and compensation algorithm are also studied. Based on grating
measuring system, the hardware and software are designed. The hardware is mainly
composed of DSP and periphery circuits. Many data acquisition and algorithm are
completed by the software.
Finally, the research results of this paper have some academic value and great
engineering practical value.
Key Words: grating measurement, moiré fringe, digital signal process,
subdivision, sensing
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ............................................................................................................... 1
§1.1 课题的背景及意义 ....................................................................................... 1
§1.2 光栅测量技术的发展与国内外研究现状 ................................................... 2
§1.2.1 光栅测量技术的发展 ......................................................................... 2
§1.2.2 光栅测量技术的国内外现状 ............................................................. 2
§1.3 课题研究的主要内容 ................................................................................... 3
第二章 光栅莫尔条纹测量原理 ................................................................................. 5
§2.1 概述 ............................................................................................................... 5
§2.1.1 光栅的基本结构和分类 ..................................................................... 5
§2.1.2 光栅测量系统的构成 ......................................................................... 5
§2.2 光栅莫尔条纹的机理与几何分析 ............................................................... 6
§2.2.1 莫尔条纹的机理 ................................................................................. 6
§2.2.2 莫尔条纹的几何法分析 ..................................................................... 7
§2.2.3 莫尔条纹的特点 ................................................................................. 8
§2.3 圆光栅的莫尔条纹 ....................................................................................... 9
§2.3.1 径向圆光栅 ....................................................................................... 10
§2.3.2 切向圆光栅 ....................................................................................... 11
§2.4 莫尔条纹信号接收与信号分析 ................................................................. 12
§2.5 本章小结 ..................................................................................................... 14
第三章 莫尔条纹细分方法研究 ............................................................................... 15
§3.1 概述 ............................................................................................................. 15
§3.2 莫尔条纹光学与机械细分方法 .................................................................. 15
§3.3 莫尔条纹电子细分方法 ............................................................................. 15
§3.3.1 移相电阻链细分 ................................................................................ 16
§3.3.2 载波调制细分 ................................................................................... 17
§3.3.3 锁相倍频细分 ................................................................................... 18
§3.3.4 三角函数细分 ................................................................................... 19
第四章 光栅测量系统的数字化细分总体方案设计 ............................................... 21
§4.1 光栅测量系统 ............................................................................................. 21
§4.1.1 光栅测量系统概述 ........................................................................... 21
§4.1.2 光栅测量系统结构 ........................................................................... 24
§4.2 光栅测量仪器的光学系统及原理图 ......................................................... 25
§4.2.1 仪器的光学系统 ............................................................................... 25
§4.2.2 光栅测量系统的原理图 ................................................................... 26
§4.3 光栅测量系统莫尔条纹细分方法研究 ..................................................... 28
§4.3.1 光栅测量系统细分与辨向方法研究 ............................................... 28
§4.3.2 基本工作原理与区间划分 ............................................................... 29
§4.4 本章小结 ..................................................................................................... 32
第五章 莫尔条纹数字化细分硬件和软件设计 ....................................................... 33
§5.1 概述 ............................................................................................................. 33
§5.2 数字信号处理器及其电路 ......................................................................... 33
§5.2.1 数字信号处理器简述 ....................................................................... 33
§5.2.2 DSP 电源、复位及时钟电路设计 .................................................... 35
§5.2.3 JTAG 仿真接口电路设计 ..................................................................36
§5.2.4 A/D 转换控制电路 .............................................................................37
§5.3 光栅莫尔信号处理电路 ............................................................................. 39
§5.3.1 光栅信号绝对值电路的设计 ........................................................... 39
§5.3.2 光栅莫尔信号前置差分放大电路设计 ........................................... 39
§5.3.3 整形电路的设计 ............................................................................... 40
§5.4 光栅测量系统软件设计 ............................................................................. 40
§5.4.1 A/D 采样数据程序设计 .....................................................................42
§5.4.2 光栅测量系统细分与辨向处理 ....................................................... 42
§5.5 本章小结 ..................................................................................................... 44
第六章 细分精度与相位补偿分析 ........................................................................... 45
§6.1 光栅莫尔信号正切法细分精度分析 ......................................................... 45
§6.1.1 直流电平分量的影响 ....................................................................... 45
§6.1.2 两路正弦余弦信号幅值不相等 ....................................................... 46
§6.1.3 两路信号相位不正交 ....................................................................... 46
§6.2 相位补偿算法分析 ..................................................................................... 47
§6.3 本章小结 ..................................................................................................... 48
第七章 总结与展望 ................................................................................................... 49
§7.1 论文总结 ..................................................................................................... 49
§7.2 研究展望 ..................................................................................................... 49
致 谢 ........................................................................................................................... 65
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
光学分度头是一种利用光学装置和内装角度基准（如度盘、光栅盘）进行角
度分度或进行角度检测的精密光学计量仪器。其主轴上装有精密的玻璃刻度盘或
圆光栅，通过光学或光电系统进行细分、放大，再由目镜、光屏或数显装置读出
角度值。该光学分度头适用于对凸轮、齿轮、丝杆及其它不规则零件进行分度或
测定其角度值，并对国防工业的发展起着非常重要和决定性的作用。
两块光栅之间相对移动所形成的莫尔条纹现象是光栅测量技术的基础，它是
集光、电、机于一体化的数字传感技术，可实现对角度、位移、速度和其它相关
的机械物理量的测量。随着光刻技术和电子技术水平的提高，光栅作为精密测量
的一种工具，不仅在机床和仪器仪表的位移测量、数字控制、伺服跟踪、高精度
精密加工等方面广泛应用，而且在坐标测量机、应变分析、振动测量、服装及艺
术造型的三维计测等领域展示了广阔前景[1]。
§1.1 课题的背景及意义
若将光电传感器作为光栅测量的核心部分，当由两块光栅形成的光栅副产生
莫尔条纹信号时，并将其经过放大、整形、细分和辨向等处理后，可以将原来输
入的机械物理量转换成相对应的数字量。如果将该光栅测量系统与计算机连接构
成微机化测控系统，则可实现仪器的自动测量、数字显示与数字控制。1874 年，
英国物理学家瑞利（L.Rayleigh）首次提出光栅莫尔条纹的工程应用价值，从而开
发了莫尔计量学。但直到 20 世纪 50 年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精
密测量[1][2]。本课题中的光学分度头通过应用圆光栅莫尔条纹的数字化细分测量
圆周角度系统的方法就是光栅测量技术的一个具体应用。
随着计量光栅精度的提高和细分技术的发展，光栅莫尔条纹的细分主要有光
学细分、机械细分和电子学细分这三种方法。其中，光学细分和机械细分的主要
实现方式为由模拟电路硬件来构建测量系统，由于当莫尔条纹细分数的增加或达
到很大时，会使得所需元器件的数目大幅度增加，工艺也会变得更加复杂，从而
导致仪器功耗增大，可靠性降低以及稳定性也逐渐下降，带来故障环节的增加。
由于计算机技术的迅速发展，采用微处理器和可编程逻辑器件相结合的方法进行
处理与运算，并运用软件实现电子学细分，改善了传统电路设计的缺陷，因此电
子学数字化细分方法是成为当今的一个重要研究课题并在很多领域得到了广泛的
应用。
由于数字信号处理器（DSP）具有优越的数据处理能力和丰富的硬件资源，
精密光栅光学分度头的莫尔条纹数字化细分方法研究
2
本课题中应用莫尔条纹数字化细分方法并结合数字处理器的硬件资源和高速处理
能力，使得系统具有高精度的角度测量、读数快、易于实现测量和数据处理过程
的自动化，并能用于动态测量等优点。同时，该方法可以突破传统的莫尔条纹细
分方法中对度盘划刻精度要求过高，需要设计复杂倍频电路等带来的影响。因此，
本课题对光栅莫尔条纹数字化细分方法的研究具有一定的前沿性和优越性。
§1.2 光栅测量技术的发展与国内外研究现状
§1.2.1 光栅测量技术的发展
莫尔技术的应用已经渗透到很多科学技术领域，而莫尔技术的广泛应用是在
上世纪 60 年代中期之后，在这之前大约经历了 70 年的漫长岁月，究其原因主要
有以下两点：一是受到光栅元件技术的不够成熟；二是受到细分技术的限制。20
世纪 50 年代初期，Roberts P.W.（罗伯茨）成功制成了长光栅传感器， Merton T.
（梅顿）提出了大尺寸细节距光栅的制造方法，Guild J.（盖德）对交叉衍射光栅
的干涉理论进行了详细研究，以及 Ferranti
（弗兰梯）公司首创四细分可逆计数器。
到60 年代初、中期，根据 Burch J.M.（伯奇）提出的原理，英国国家物理实验室
（NPL）先后成功研制出圆光栅和长光栅照相分化装置，从而实现了精密光栅的
大量和廉价制造[1][2]。于是，到了 70 年代，许多光栅传感器逐渐得到了广泛应用。
§1.2.2 光栅测量技术的国内外现状
目前光栅测量技术的研究近些年备受关注，全世界范围内能够制造生产出光
栅测量系统的国家除我国以外有德国、英国、美国、日本等。光栅测量系统的总
精度也比以往提高了很多倍，现代光学光栅测量技术在国内外是主要纳米测量技
术之一，不仅带动了科学技术的进步，也促进了经济的发展。当今世界上光栅测
量技术最为发达的当属国外著名的有德国海德汉（Heidenhain）公司和英国雷尼
绍（Renishaw）公司，在品种、产量、技术上以绝对的优势领先于其他各国。联
邦德国海德汉（Heidenhain）公司研制的数字测角转台，用直径φ400mm 的圆光
栅，并在其上面刻有 162000 条线对，可使得系统总精度为±0.15″，分辨率为
0.1″，静压轴系径向跳动≤±0.02μm。英国雷尼绍（Renishaw）公司在光学技
术和电子技术上有着成熟领先的技术，研制出具有反射式光路的光栅传感器，其
测量基准是一个 20μm栅距平面反射栅尺。此外，联邦德国欧波同（OPTON）
公司、美国 Itek 公司、日本尼康公司在光栅的研制等方面也做出了很多杰出的贡
献。
第一章 绪论
3
我国在 20 世纪 60 年代开始逐渐研究计量光栅技术，中科院长春光机所率先
进行了这方面的研究并成功研制数十种型号的产品。另外，清华大学、成都光电
所、中国计量科学研究院等单位也先后对其进行了开发与研制，同时也取得了一
定的成就。1965 年上海光学仪器厂开始研究光栅数字显示技术，并与 1971 年成
功制成数字显示条纹坐标测量仪。上海某机械学院在七八十年代成功制成 1″数
字式光栅分度头，该仪器的测量角度范围为 0°~360°，分辨率为 0.1″，示值误
差为 1″[2]。我国的光栅制造在精度方面已达到 0.2 角秒，已经进入世界的先进水
平行列，而长光栅与世界水平还有一定的差距；在规格和品种方面，与国外相比
差距并不太大，但在成批生产的技术上仍然落后于发达国家。鉴于上述情况，为
进一步提高光栅精度等问题，对其光栅计量技术的研究就显得十分有必要。
§1.3 课题研究的主要内容
光栅测角系统以莫尔条纹为基础的，其基本原理是由光栅度盘中的标尺光栅
与指示光栅发生相对转动时便形成明暗相间的莫尔条纹现象，将莫尔条纹信号经
过光电传感器转换为电信号后，对该电信号进行分析和一定的处理后，最终可达
到角度或直线位移测量的目的。
本课题是完成光栅莫尔条纹的数字化细分方法的研究设计与实现，并将该技
术应用于数字显示精密光栅式光学分度头仪器，作为光栅测角系统进行角度的测
量。该仪器是一台精度要求很高的圆周角度的测量仪器，同时又可以作为精密分
度加工的分度附件。光栅数字显示技术具有测量精度高、性能稳定、可靠、抗干
扰能力强、使用和安装方便以及其寿命长等优点。主要用于高精度光学及机械零
件抛光平面的角度测量，如高精度多面体扫描镜， 高精度光学棱镜，及许多对角
度有严格要求的光学和机械零件的制造与检验，可广泛应用于航空、航天、船舶、
汽车、仪器仪表及计量等领域。
论文主要分为七章，具体完成的主要工作如下：
第一章为绪论，主要对光栅测量技术的发展和国内外现状进行了简单阐述；
第二章为光栅莫尔条纹测量原理，根据光栅的基本结构对莫尔条纹的机理进
行了几何法分析，并分析了莫尔条纹信号的特点；
第三章为莫尔条纹细分方法研究，主要对莫尔条纹的三类细分方法进行了分
析和讨论，即光学细分、机械细分和电子细分；
第四章为光栅测量系统的数字化细分总体方案设计，主要对光栅测量系统进
行了详细的分析和方案的设计，并提出了正切细分法，对该细分方法进行了详细
的讨论与研究；
摘要：

摘要光栅测量技术是根据光栅副所形成的莫尔条纹信号为基础，是集光、电、机于一体化的数字传感技术，在仪器仪表与计量、工业生产等领域中起着关键性的作用。莫尔条纹经过光电传感器将光信号转换为电信号后，经过放大、整形、细分和辨向等处理，可以将莫尔信号进行数字化，实现仪器的自动测量与数字控制及数字显示。随着光栅刻线技术和电子技术以及计算机技术的迅速发展，使得光栅传感器获得的莫尔信号质量得到了很大的改善，高精度计量和精密测量位移量和角度量成为当前研究方向。结合数字信号处理器DSP在处理速度和算法上体现出的巨大优势，将其应用在光栅测量系统中可以有效的提高测量精度和智能化程度，从而提高了细分数和细分速率，也保证...

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