莫尔(干涉)条纹计数细分和辨向技术的研究

　　1　引　言

　　莫尔(干涉)条纹测量技术是一种广泛应用于精密检测领域的位置/位移测量技术,如光栅测量技术和激光干涉测量技术。近年来,随着超精密加工技术的发展,莫尔(干涉)条纹测量技术的发展极为迅速,成为大量程、高分辨率测量的主要手段[1]。目前大多数莫尔(干涉)条纹计数细分和辨向方法都把采用信号的过零点或峰值点作为方向辨别和整周期计数的依据,莫尔(干涉)条纹每移动一个整周期辨一次向,计一个数。由于信号直流电平漂移的影响,如果仅仅把过零点或峰值点作为整周期计数的判据,势必引入整周期计数误差。文献[2]和文献[3]提出了一种双阈值莫尔(干涉)条纹软件计数方法,解决了信号直流电平漂移和高频噪声引起的整周期计数误差的问题。在信号细分时,文献[2]和文献[3]按照双阈值把信号分为四个区段,采用比例幅值细分法来计算小于半个信号周期的位移量。但存在几个问题:由于信号的非线性,比例幅值细分法的灵敏度在一个信号周期内不一致,尤其在信号峰值点附近接近于零,而在信号过零点处灵敏度最高;由于区段Ⅰ和区段Ⅲ中信号幅值对应的相位具有二值性,当位移量很小且起点与终点都落在区断Ⅰ或Ⅲ内时,将不能进行正确的细分和辨向,所以文献[2]和文献[3]中的计数细分法只适用于位移量大于半个信号周期的情况,当位移量小于半个信号周期时,将可能产生细分和辨向错误。

　　本文在对文献[2]和文献[3]进行深入分析的基础上,提出了一种双阈值与正切细分法结合使用的莫尔(干涉)条纹辨向、计数细分法,这不仅可消除直流电平漂移、信号幅值波动和信号非线性对计数细分的影响,而且还可以对小于半个信号周期的位移进行正确辨向和高倍数细分,使系统具有较强的抗干扰能力。

　　2　计数细分的基本原理

　　当采用光电探测器接收莫尔(干涉)条纹时,输出信号可表示为

　　式中,t为时间; V0(t)为直流电平漂移; V1(t)为电压幅值;v为光栅位移速度;d为光栅栅距;N(t)为噪声电平。式(1)表明,接收信号含有直流电平漂移、电压幅值波动和随机噪声等影响计数与细分的因素。由于接收信号与位移之间是非线性关系,所以不能对它直接细分。为了正确辨向、准确计数和高倍数细分,必须设法克服这些因素的影响。

　　2.1　周期信号的辨向与计数

　　为了有效消除直流电平漂移和噪声电平的影响,使其正确辨向和可逆计数,设定两个阈值Th和T1,将一个信号周期分为四段,如图1中的所示[2,3];为消除信号幅值波动和信号非线性对细分的影响,根据正切细分法的要求,将一个信号周期又分为8个区段。