基于DSP的宽动态范围莫尔条纹计数与精密细分技术

　　1　引　　言

　　1953年,英国Ferranti公司的爱丁堡实验室建立了第一个利用莫尔条纹(MoiréFringe)系统测量位移的工作样机,并取得了专利。从此,陆续出现了许多种利用莫尔条纹来精密测量位移的光学方法,其中主要以各种光栅位移测量系统为主[1-2]。

　　当被测目标产生一定位移的同时,光学系统会产生成比例的一串莫尔条纹,测量数显电路对大的整脉冲进行计数,对尚不能构成一个完整的莫尔条纹周期进行细分,然后由计数值与细分值共同得到精确的位移量。例如,当一个脉冲表示1μm时,大的计数值为500,细分片段值为0.32个脉冲,那么总的位移量为500.32μm。在传统的数显装置中,高倍数的细分电路与可逆计数电路基本上是分开的,当计数发生错误时,再高的细分倍数也变得没有用处了。因此,解决好计数电路与细分电路的匹配问题,是本文重点研究的一个问题。

　　2　常规计数方法及其存在的问题

　　常规计数法的基本原理如下:两路正交的条纹信号经过零触发器整形变为矩形波,以正弦波整形信号的上跳沿作为计数触发信号,可逆计数器根据该上跳沿所对应的余弦波整形信号的电平来决定移动方向。

　　如图1所示,图中(a)为条纹信号,其中粗实线为正弦信号,细实线为正向移动时的余弦信号,虚线为反向移动时的余弦信号。(b)、(c)、(d)分别为上述三种信号经整形后的波形。不难发现,如果光栅正向移动,当(b)图所示信号上跳时,对应余弦信号的整形信号为高电平,计数器加1;反之,光栅反向移动,当(b)图所示信号上跳时,对应余弦信号的整形信号为低电平,计数器减1。

　　但在对该计数方法的分析中发现,它在某些特殊的情况下会计错数。例如当光栅在一定范围内振动时,会发生计数器只加不减或只减不加的现象。如图2(a)所示,光栅在半个信号周期的幅度内来回振动,图中曲线即为位移曲线。这种情况下的条纹信号见(b)图所示,图中粗实线为正弦信号,虚线为余弦信号,(c)、(d)分别为正余弦信号经过零触发器整形后的信号。可以看出,在光栅来回振动的时候,对于正弦信号整形信号的每一个上跳沿,余弦信号整形信号电平为高,计数器一直在做加法计数,这显然是不对的。这仅是诸多特殊情况下的一种,这种硬件计数法由于没有智能化可言,在光栅单方向移动时,可以正确计数,但光栅的移动情况比较复杂时,就有可能发生丢数或多计数现象。而在机械加工中这种振动、爬行的现象又非常普遍[3]。

　　另外,当物体移动的速度很缓慢或很快时,可逆计数器要么不计数,要么乱计数。即计数器的动态范围窄,这样就大大限制了使用范围,不适合高速机械加工中使用。