锁相式莫尔条纹信号细分方法

    随着光栅刻制技术和莫尔条纹信号细分技术的不断完善,工业计量领域中的光栅测量技术得到了飞速发展,尤其是光栅数显装置,因具有测量精度高、跟踪速度快、抗干扰能力强等特点而被广泛应用在仪器仪表、机械加工等领域^[1].

    提高光栅测量装置的精度可从两方面入手:一是采用高精度的光栅传感器,即通过提高光栅的刻线密度来实现,但在工艺上难度很大,成本也很高,同时,栅距越小,对光学系统和机械结构的要求也就越严格,光栅的极限运动速度也会随之降低;二是采用中等精度的光栅传感器,通过细分技术提高光栅数显装置的细分数,从而达到理想的测量精度,目前多采用后一种方法^[2-3],因此,对光栅莫尔条纹信号细分方法的研究具有重要意义.

    1　传统的细分方法

    莫尔条纹信号的细分方法,主要有机械的、光学的和电子的三大类[2].常用高倍电子细分法的基本原理及主要优缺点如表1所示.

    2　锁相式莫尔条纹信号细分方法

    2·1　传统的锁相倍频原理

    锁相环路(PLL)是一个能够跟踪输入信号的闭环自动控制系统,在通讯、雷达、测量等电子技术领域应用广泛^[4-5].图1是传统的锁相倍频器原理框图,它由一个锁相环和加在其反馈环节中的分频器组成,这里的分频器就是细分环节,细分数由分频器的分频数决定.当输入信号的相位变化2π/n时,压控振荡器输出变化一个周期,计数图1　传统锁相倍频器原理框图器计一个数,从而实现了对输入信号的n倍频(细分).

    传统的锁相细分原理不能直接应用于光栅莫尔条纹信号细分技术中,因为:该理论要求输入信号的周期比较稳定,否则锁相环始终处于跟踪状态,倍频输出误差较大;锁相环在过零点比相,只适合对完整周期倍频,无法跟踪不完整周期;锁相环的输出信号都是标量,不能产生光栅传感器相对运动方向的判别信号;只适合动态测量,不适合静态测量.

    2·2　新型锁相式细分原理

    2·2·1　理论推导

    图2为锁相式莫尔条纹信号细分原理框图.光栅作为空间位置传感器,其输出电信号可表示为:

    U_s(x) =E₀+U′_msinθ(x),                 (1)

    U_s(x) =E₀-U′_msinθ(x).                      (2)

式中:θ(x)是光栅尺的机械位移角;d是光栅的栅距,x是光栅传感器动静光栅间的相对位移量;E₀是输出信号上叠加的直流电平,U′_m为输出信号的幅值.

    将式(1)、式(2)和式(3)、式(4)彼此相减,消去直流电平E₀,从而得到两路新的电信号: