角度基准中莫尔条纹细分的研究

　　1　引　　言

　　在角度基准中主要工作大致分为三部分,基准分度信号系统,莫尔条纹细分及编码计数系统。基准分度信号是仪器核心,采用多头平均获得高精度、高质量的莫尔条纹光电信号[1],这种信号由于多次平均其信号的空间周期十分准确,在角度基准研究中达到0.015″。莫尔条纹细分电路是在一个莫尔条纹周期内插若干信息,并且变成需要的数字量。编码计数电路是为了角度计量而设置的专门电路。

　　由于分度基准信号的空间周期为20″,为了达到高精度的测量必须将一个信号周期(20″)细分数千等分。根据我们的工作基础,采用载波调制细分法,圆满地完成了细分任务。本文达到的细分数为20000等分。

　　2　采样保持——载波调制细分方法

　　2.1　载波频率的确定

　　高精度动态测量的发展,对细分器动态测量的细分数要求愈来愈高。目前国内细分器已达到细分数为1000等分,要再提高细分数必须采用新的细分方案,即调制细分法。在载波调制电细分方案中,动态测量时对实现高细分倍数,其载波频率的确定十分重要。在一般的载波调制细分方案中,光栅信号最高工作频率ω=P/N(p为载波调制频率,N为细分数)脉冲填充频率,所以看出n与p成比例,并为光栅信号工作频率和细分数平方乘积。当要求N很高时,n值亦特别高,这种加大工作频率的方法在电路上难于实现。

　　我们从降低电路最高工作频率入手。为了保证较好的动态测量精度,满足原方案载波调制频率p应是光栅信号最高工作频率ω的N倍[2-3].我们选用采样保持替代完成上述作用,这样可使调制频率降低。因为仪器是采用比较法测量,所以用被测件作为采样信号与基准光栅盘信号比较。从信号测量动态跟踪方面考虑为使有用信号不失真,调制频率应大于2倍光栅信号最高频率ω,即p= 2ω。从全面权衡我们定p= 8ω,则脉冲填充频率n=p·N= 8ωN与原载波调制方案比较,p和N工作频率可大大降低,这样电路也易于实现。

　　2.2　调制细分工作原理

　　采样保持方法的细分方案是先通过被测件信号控制采样保持,把需要的信息模拟量选取和保持下来。再通过载波调制细分电路把此模拟量信息变成相应数字量信息。其方框图表示在图1中。通过一对正交标准盘光栅信号Esinθ和Ecosθ(E—莫尔条纹信号幅值、θ—信号角位移)分别输入到二个采样保持器。当来采样信号时,就把对应需要的模拟量信息选取并保持下来。接着与频率为p的载波信号F(p)和F(pt+π/2)相乘再分别相加便得调相信号F(t,θ)即:

　　通过带通滤波器去掉p的高次谐波和其它低频成份。使莫尔条纹的空间位移线性地转换成时间移相信号A1sin(pt+θ) ,再将A1sin (pt+θ)整形后与F(pt)比相,从比相器中输出脉冲宽度为H的比相矩形波。H的宽度与θ角成线性关系,比相波的前后沿作用脉冲填充门,由晶振输出频率为h的高频脉冲填充比相矩形波,即用高频的时间脉冲作为尺度来度量H的宽度。当θ从0变化至2π时,所填的脉冲数从0变化至20000。θ角越大,H的宽度越宽,所填的脉冲数就越多。一个莫尔条纹的周期为20″填入的脉冲20000个,这样细分了20000等分,一个脉冲代表0.001″。被填入的脉冲经编码计数,以数字形式输出。