30中国科技论文 实 验 技 术 与 管 理 Vol.19 No.3 2002 统计源期刊
位移的莫尔条纹测量技术
李丰丽,钟金刚
(暨南大学物理系,广州 510632)
摘 要:本文采用莫尔条纹技术,实现了一种对位移量进行精确测量和控制的方法。从莫尔条纹的产生,光电信号的转换,到对信号的鉴零、编码、计数、显示和控制,构成一个完整、实时的监测系统。可实现高精度检测,有效控制位移量。
关键词:莫尔条纹;电子细分;GAL
中图分类号:TH741 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2002)03-0030-04
位移的精确测量和自动控制在高精度检测、加工及其它领域中有着非常重要的作用,莫尔条纹技术具有位移高倍率放大的光学特性,经光电传感,采用电子细分技术,结合计算机技术,可对位移量进行实时准确的检测和控制,具有广泛的应用范围。
1 系统原理
(1)莫尔条纹测量原理
我们把两块相同栅距的一维计量光栅(20~100线对/mm)以一定的交角迭合产生莫尔条纹,,,莫尔条纹则是平行直线族。当迭合交角很小时( 0),莫尔条纹与标尺光栅栅线几乎垂直,这种莫尔条纹通常称之为长光栅莫尔条纹。当标尺光栅沿着垂直于栅线的方向移动,指示光栅固定不变时,莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动1个栅距,莫尔条纹就移动1个条纹间隔,光栅改变运动方向,莫尔条纹的运动也随之改变方向,两者之间有着对应的运动关系。我们可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向。莫尔条纹具有位移放大作用,d/,/d(如 =20 ,K=1/ 172)。莫尔条纹的光学特性为实现位移量的高灵敏度、高精度检测奠定了基础。
(2)电子细分技术
横向莫尔条纹光场的亮度分布符合正弦规律。这是由于光栅叠加图案、两光栅有一定的间隙以及光源有微小线宽综合作用的结果。用光电器件接收莫尔条纹光场亮度信号时,接收狭缝比条纹宽度窄得多,则输出的电信号波形也符合正弦规律,由于亮度没有负收稿日期:2001-04-07作者简介:李丰丽(1967 ),女,硕士,实验师。
位移的莫尔条纹测量技术31
值,所以电信号是叠加在一个直流分量上的正弦信号。在一个条纹间距内可以排列多个光电器件,这样可以提取多相正弦信号。标尺光栅运动方向不同,所取得的多相正弦信号的时序相反。电子细分技术可以大大提高测量精度,并能自动判别位移的方向。
本系统采用4相光电池来接收光亮度信号,输出4相叠加在直流分量上的正弦信号。将4相硅光电池附于固定的指示光栅上,使其刚好占满1个莫尔条纹宽度,则取得的4相正弦信号U1、U2、U3、U4,相邻位相差为90 ,经运放后去除直流分量。各相正弦信号经过鉴零电路得到4相方波信号t1、t2、t3、t4。标尺光栅正向移动和反向移动取得的信号的相位关系是相反的,可以根据4相方波信号的时序来判断位移的运动方向。4相方波信号再经微分电路产生4相脉冲计数信号P1、P2、P3、P4。我们经前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,送至编码电路进行数字逻辑组合分别得到正向和反向计数脉冲信号。标尺光栅正向移动时正向脉冲输出端Q+输出加法计数脉冲Q+=t1 P4+t2 P1+t3 P2+t4 P3,反向脉冲输出端Q-无输出;标尺光栅反向移动时Q+无输出,Q-输出减法计数脉冲Q-=t1 P2+t2 P3+t3 P4+t4 P1。这样我们通过计数、显示、控制电路就可得到准确的位移量,并对系统发出相应的控制信号。
2 系统结构
本系统主要由光路部分和电路部分组成,光路部分的作用是产生莫尔条纹信号,电路部分的作用是用光电器件接收莫尔条纹信号,经前置处理电路和编码电路产生计数信号和判向信号,再由计数显示和控制电路进行计数、显示,并作出相应的控制。系统结构框图如图1
所示。
图1 系统结构框图
(1)光路设计 由光学部分产生莫尔条纹信号,采用光电器件接受光场亮度信号进行光电转换,把光信号转换成电信号,作为电子细分和计数的原始信号。
本系统光学部分由照明系统、光电接收器件、标尺光栅和指示光栅组成。光源经准直镜成为均匀的照明光,4相光电池贴附于指示光栅,标尺光栅移动时,莫尔条纹移动。由4相光电池接收光信号作光电转换输出电信号。
(2)电路设计
前置处理电路 4相光电池输出的4相正弦信号相邻位相差90 ,经过前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,再送后续电路进行计数、显示和控制。
零伏偏置电路和放大电路 4相光电池接收莫尔条纹亮度信号,输出4路正弦信号U12,
32实 验 技 术 与 管 理
况,处于最佳线性状态,输出光电流最大,信噪比高。该电路的另一作用是隔离光电池与下一级放大电路,消除放大电路对前一级电路的影响。
光电池工作于零伏偏置状态,其输出信号与光强成正比,光强无负值,所以4相光电池接收莫尔条纹输出的正弦波是叠加在一直流分量上的。采用差动放大电路来去除直流分量,并对信号进行放大。
鉴零电路和微分电路 将去除直流分量的正弦波输入鉴零电路,采用4电压比较器LM339,比较电位端接地,在正弦波的正半周期,输出信号为高电平,而正弦波的负半周期输出信号为低电平。所以经过鉴零电路将正弦信号转换为方波信号。
微分电路由4运算放大器LM324外接部分元件组成,方波信号经过微分电路产生尖脉冲,作为编码电路的计数信号。
编码电路 编码电路实际上全部由逻辑门电路组成,其功能是把前置电路输出的方波信号和微分脉冲信号,经编码电路的数字逻辑组合得到Q+、Q-以及判向信号UP。我们采用1片通用阵列逻辑芯片GAL16V8B来实现编码电路的功能。GAL是新一代的PLD器件,具有在1秒内完成电擦/写和加密功能,可对其输入、输出管脚进行任意定义,可任意规定、修改每个输出逻辑宏单元的组态和功能。根据格式对GAL16V8B编程如下,由程序定义其管脚及组态功能Q-。
GAL16V8
NULLt1t2t3t4P1P2P3P4GND
0E0201QNULLUPQ-Q+NULLVCC
Q+=t1*P4+t2*P1+t3*P2+t4*P3
Q-=t1*P2+t2*P3+t3*P4+t4*P1
Q=Q++Q-
UP=/Q+*/Q-*UP+Q+
Q1=/t1
Q2=/t2
Q.0E=VCC
Q+.0E=VCC
Q-.0E=VCC
01.0E=VCC
02.0E=VCC
UP.0E=VCC
DESCRIPTION
计数、显示和控制电路 由芯片ICM7217A及外围器件构成这部分电路。ICM7217A是计数、锁存、译码、驱动四合一芯片,内部有4位可逆计数器,产生4位十进制数字输出,另有4位数可预置寄存器,用于与计数器内容比较。将编码电路GAL16V8B的计数脉冲输出信号Q接至ICM7217A的CLK端口,判向信号UP送至计数器加减控制端U/
位移的莫尔条纹测量技术334位共阴极LED数码管显示计数器的内容,莫尔条纹的计数和判向便可从LED的显示数据以及数据的递增递减来实现。预置电路通过拨位开关对ICM7217A送入预置计数和预置比较数,计数器从预置数开始计数,当计数值达到预置比较数时,EQ端输出一低电平脉冲;当计数值计数至零时,ER端输出一低电平脉冲。EQ、ER端发出控制信号由控制电路产生相应的控制动作。
小结 本系统从莫尔条纹的产生、光电信号的转换,到对信号的鉴零、编码、计数、显示和控制,构成一个完整、实时的系统,可以实现对位移量进行高精度的检测、控制。莫尔条纹由一系列栅线的交点组成,用光电器件接收莫尔条纹信号是所有计量光栅栅线的综合作用的结果,所以能大大减少计量光栅各栅线本身的误差。采用莫尔条纹测量技术能在很大程度上消除栅线的局部误差和周期性误差对测量精度的影响,因此测量精度比光栅本身的栅线精度更高。
[参考文献]
[1]杨国光 近代光学测试技术[M] 浙江大学出版社,1996
[2]苏大图 光学测试技术[M] 北京理工大学出版社,1996
[3]陈继荣 单片机仿真系统与GAL编程[M] 中国科学技术出版社,1991
30中国科技论文 实 验 技 术 与 管 理 Vol.19 No.3 2002 统计源期刊
位移的莫尔条纹测量技术
李丰丽,钟金刚
(暨南大学物理系,广州 510632)
摘 要:本文采用莫尔条纹技术,实现了一种对位移量进行精确测量和控制的方法。从莫尔条纹的产生,光电信号的转换,到对信号的鉴零、编码、计数、显示和控制,构成一个完整、实时的监测系统。可实现高精度检测,有效控制位移量。
关键词:莫尔条纹;电子细分;GAL
中图分类号:TH741 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2002)03-0030-04
位移的精确测量和自动控制在高精度检测、加工及其它领域中有着非常重要的作用,莫尔条纹技术具有位移高倍率放大的光学特性,经光电传感,采用电子细分技术,结合计算机技术,可对位移量进行实时准确的检测和控制,具有广泛的应用范围。
1 系统原理
(1)莫尔条纹测量原理
我们把两块相同栅距的一维计量光栅(20~100线对/mm)以一定的交角迭合产生莫尔条纹,,,莫尔条纹则是平行直线族。当迭合交角很小时( 0),莫尔条纹与标尺光栅栅线几乎垂直,这种莫尔条纹通常称之为长光栅莫尔条纹。当标尺光栅沿着垂直于栅线的方向移动,指示光栅固定不变时,莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动1个栅距,莫尔条纹就移动1个条纹间隔,光栅改变运动方向,莫尔条纹的运动也随之改变方向,两者之间有着对应的运动关系。我们可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向。莫尔条纹具有位移放大作用,d/,/d(如 =20 ,K=1/ 172)。莫尔条纹的光学特性为实现位移量的高灵敏度、高精度检测奠定了基础。
(2)电子细分技术
横向莫尔条纹光场的亮度分布符合正弦规律。这是由于光栅叠加图案、两光栅有一定的间隙以及光源有微小线宽综合作用的结果。用光电器件接收莫尔条纹光场亮度信号时,接收狭缝比条纹宽度窄得多,则输出的电信号波形也符合正弦规律,由于亮度没有负收稿日期:2001-04-07作者简介:李丰丽(1967 ),女,硕士,实验师。
位移的莫尔条纹测量技术31
值,所以电信号是叠加在一个直流分量上的正弦信号。在一个条纹间距内可以排列多个光电器件,这样可以提取多相正弦信号。标尺光栅运动方向不同,所取得的多相正弦信号的时序相反。电子细分技术可以大大提高测量精度,并能自动判别位移的方向。
本系统采用4相光电池来接收光亮度信号,输出4相叠加在直流分量上的正弦信号。将4相硅光电池附于固定的指示光栅上,使其刚好占满1个莫尔条纹宽度,则取得的4相正弦信号U1、U2、U3、U4,相邻位相差为90 ,经运放后去除直流分量。各相正弦信号经过鉴零电路得到4相方波信号t1、t2、t3、t4。标尺光栅正向移动和反向移动取得的信号的相位关系是相反的,可以根据4相方波信号的时序来判断位移的运动方向。4相方波信号再经微分电路产生4相脉冲计数信号P1、P2、P3、P4。我们经前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,送至编码电路进行数字逻辑组合分别得到正向和反向计数脉冲信号。标尺光栅正向移动时正向脉冲输出端Q+输出加法计数脉冲Q+=t1 P4+t2 P1+t3 P2+t4 P3,反向脉冲输出端Q-无输出;标尺光栅反向移动时Q+无输出,Q-输出减法计数脉冲Q-=t1 P2+t2 P3+t3 P4+t4 P1。这样我们通过计数、显示、控制电路就可得到准确的位移量,并对系统发出相应的控制信号。
2 系统结构
本系统主要由光路部分和电路部分组成,光路部分的作用是产生莫尔条纹信号,电路部分的作用是用光电器件接收莫尔条纹信号,经前置处理电路和编码电路产生计数信号和判向信号,再由计数显示和控制电路进行计数、显示,并作出相应的控制。系统结构框图如图1
所示。
图1 系统结构框图
(1)光路设计 由光学部分产生莫尔条纹信号,采用光电器件接受光场亮度信号进行光电转换,把光信号转换成电信号,作为电子细分和计数的原始信号。
本系统光学部分由照明系统、光电接收器件、标尺光栅和指示光栅组成。光源经准直镜成为均匀的照明光,4相光电池贴附于指示光栅,标尺光栅移动时,莫尔条纹移动。由4相光电池接收光信号作光电转换输出电信号。
(2)电路设计
前置处理电路 4相光电池输出的4相正弦信号相邻位相差90 ,经过前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,再送后续电路进行计数、显示和控制。
零伏偏置电路和放大电路 4相光电池接收莫尔条纹亮度信号,输出4路正弦信号U12,
32实 验 技 术 与 管 理
况,处于最佳线性状态,输出光电流最大,信噪比高。该电路的另一作用是隔离光电池与下一级放大电路,消除放大电路对前一级电路的影响。
光电池工作于零伏偏置状态,其输出信号与光强成正比,光强无负值,所以4相光电池接收莫尔条纹输出的正弦波是叠加在一直流分量上的。采用差动放大电路来去除直流分量,并对信号进行放大。
鉴零电路和微分电路 将去除直流分量的正弦波输入鉴零电路,采用4电压比较器LM339,比较电位端接地,在正弦波的正半周期,输出信号为高电平,而正弦波的负半周期输出信号为低电平。所以经过鉴零电路将正弦信号转换为方波信号。
微分电路由4运算放大器LM324外接部分元件组成,方波信号经过微分电路产生尖脉冲,作为编码电路的计数信号。
编码电路 编码电路实际上全部由逻辑门电路组成,其功能是把前置电路输出的方波信号和微分脉冲信号,经编码电路的数字逻辑组合得到Q+、Q-以及判向信号UP。我们采用1片通用阵列逻辑芯片GAL16V8B来实现编码电路的功能。GAL是新一代的PLD器件,具有在1秒内完成电擦/写和加密功能,可对其输入、输出管脚进行任意定义,可任意规定、修改每个输出逻辑宏单元的组态和功能。根据格式对GAL16V8B编程如下,由程序定义其管脚及组态功能Q-。
GAL16V8
NULLt1t2t3t4P1P2P3P4GND
0E0201QNULLUPQ-Q+NULLVCC
Q+=t1*P4+t2*P1+t3*P2+t4*P3
Q-=t1*P2+t2*P3+t3*P4+t4*P1
Q=Q++Q-
UP=/Q+*/Q-*UP+Q+
Q1=/t1
Q2=/t2
Q.0E=VCC
Q+.0E=VCC
Q-.0E=VCC
01.0E=VCC
02.0E=VCC
UP.0E=VCC
DESCRIPTION
计数、显示和控制电路 由芯片ICM7217A及外围器件构成这部分电路。ICM7217A是计数、锁存、译码、驱动四合一芯片,内部有4位可逆计数器,产生4位十进制数字输出,另有4位数可预置寄存器,用于与计数器内容比较。将编码电路GAL16V8B的计数脉冲输出信号Q接至ICM7217A的CLK端口,判向信号UP送至计数器加减控制端U/
位移的莫尔条纹测量技术334位共阴极LED数码管显示计数器的内容,莫尔条纹的计数和判向便可从LED的显示数据以及数据的递增递减来实现。预置电路通过拨位开关对ICM7217A送入预置计数和预置比较数,计数器从预置数开始计数,当计数值达到预置比较数时,EQ端输出一低电平脉冲;当计数值计数至零时,ER端输出一低电平脉冲。EQ、ER端发出控制信号由控制电路产生相应的控制动作。
小结 本系统从莫尔条纹的产生、光电信号的转换,到对信号的鉴零、编码、计数、显示和控制,构成一个完整、实时的系统,可以实现对位移量进行高精度的检测、控制。莫尔条纹由一系列栅线的交点组成,用光电器件接收莫尔条纹信号是所有计量光栅栅线的综合作用的结果,所以能大大减少计量光栅各栅线本身的误差。采用莫尔条纹测量技术能在很大程度上消除栅线的局部误差和周期性误差对测量精度的影响,因此测量精度比光栅本身的栅线精度更高。
[参考文献]
[1]杨国光 近代光学测试技术[M] 浙江大学出版社,1996
[2]苏大图 光学测试技术[M] 北京理工大学出版社,1996
[3]陈继荣 单片机仿真系统与GAL编程[M] 中国科学技术出版社,1991