一种高分辨率和高频响的光栅纳米测量细分方法

对光电莫尔条纹信号进行高倍数细分是提高光栅测量的分辨率和准确度,把计量光栅技术推进到纳米量级,实现光栅纳米测量的最有效途径[1,2].主要的光栅纳米测量细分方法有:电桥或电阻链法、脉冲填充法、相位调制法、计算机软件细分法等多种[2,3].

　　现代高技术的发展,不仅对测量的分辨率和准确度提出了很高的要求,而且对测量速度也提出了非常高的要求,以便能够进行高精度的实时测量和反馈控制.例如,我国“九五”重点科技攻关项目中的超精密纳米车床上的实时测量和反馈控制系统要求如下:

　　有效量程:420 mm;

　　测量分辨率:2.5 nm;

　　系统准确度:±80 nm/100 mm;

　　系统频响:≥10 MHz.

　　现有各种细分方法虽各有特点,但没有一种能够同时具有高细分份数和高速度高频响,不能满足实时光栅纳米测量需要[1,2].因此,将光栅纳米测量技术应用于实时测量和实时控制中,必须从理论和实践上研究和探索新的光电莫尔条纹信号细分技术和方法.

　　作者将计算机软件细分、电阻链细分和自动控制技术相结合,提出了一种全新的动态跟踪细分方法.它既具有计算机软件细分的细分份数高、电路结构清晰简单、可以方便地进行误差补偿、同时适用于动态和静态测量的特点,又具有电阻链细分的速度快、频响高的优点,可以应用于实时测量和实时控制中.

1　动态跟踪细分法的基本原理

动态跟踪细分系统由绝对值电路、整形电路、除法器单元、高速D/A转换器、高速比较器、高速EEP-ROM、EEPROM地址逻辑控制器、计数脉冲发生器和计算机主控单元等部分组成,其结构框图如图1所示.

和其它电子学细分方法一样,动态跟踪细分法是建立在把莫尔条纹信号看成是正弦信号的基础上.其工作原理:设两路正交的莫尔条纹信号分别为Vs和Vc,在计算机主控系统和EEPROM地址控制硬件逻辑电路自动控制下,用两路高速D/A和高速比较器相结合,用储存在EEPROM中的跟踪电平对正切信号Vs/Vc进行上、下限自动跟踪,一旦光电信号电平变化大于某一设定值,根据变化方向的不同,发出一个相应运动方向的细分计数脉冲,同时调整跟踪电平,等待下一次信号变化.莫尔条纹信号每变化一个分辨率,就发出一个相应的细分计数脉冲.其工作过程见图2.

　　设EEPROM中连续4个地址的数据通过D/A转换器后对应电压分别为1、2、3和4,当正切信号Vs/Vc处于A点时,跟踪电平V1和V2分别处于3和4处;当正切信号Vs/Vc由A点向上变化越过3点到达B点时,比较器1翻转,比较器2保持不变,EEPROM地址控制逻辑将地址加1,使跟踪电平V1和V2分别处于2和3处,并同时发出一个向上的细分计数脉冲;当正切信号Vs/Vc再由B点向上变化越过2点到达C点时,比较器1再次翻转,比较器2还是保持不变,EEPROM地址控制逻辑又将地址加1,使跟踪电平V1和V2分别处于1和2处,并同时发出一个向上的细分计数脉冲;当正切信号Vs/Vc由C点向下变化越过2点回到B点时,与前面正好相反,比较器1保持不变,比较器2翻转,EEPROM地址控制逻辑将地址减1,使跟踪电平V1和V2分别回到2和3处,并同时发出一个向下的细分计数脉冲.如此反复,用跟踪电平V1和V2一直跟踪正切信号Vs/Vc,使之处于两个跟踪电平之间,在跟踪的同时发出相应细分计数脉冲.