光栅莫尔条纹信号的细分与辩向新技术

　　1　引　言

　　光栅作为精密测量的一种工具,已在精密仪器、坐标测量机、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技术是以光栅形成的莫尔条纹为基础的。由于两块叠放在一起的光栅的相对移动,所以会产生与之同步移动的莫尔条纹信号。光栅盘上黑白刻线的相对移动,会产生光强度周期性的变化,此光信号经光电池转换成为周期性的电信号,对此电信号进行一系列处理,即可获得光栅相对移动的位移量。在分辨力要求不高的情况下,只需对此信号的周期进行计数和辩向,就可获得位移量。但是,随着科学技术的发展,对位移测量和测量分辨力提出了更高的要求。当前人们正在寻求各种新的方法,以实现位移测量和测量的高分辨力。本文提出了一种新的电子学细分和辩向方法,借助于新的电子器件、CPU和A/D转换器,用硬件来实现莫尔条纹的辩向,用软件来实现莫尔条纹的数字化细分和测量角度的计算以及测量数据的制式变换等,以实现角位移辩向测量和读数分辨力达到1″的精度。

　　2　莫尔条纹信号的采集

　　由于本文采用了硬件辩向和软件数字细分法,所以信号采集通道应该由两部分组成,即整数周期数的采集和小数的采集。同时,由于我们采用波形处理和辩向技术,所以可将整周期数的计数转化为四分之一周期数来进行周期数的采集。具体信号采集过程如图1所示,整周期数是经过波形变换和辩向电路将正转的四分之一周期数脉冲与微处理器的中断INT0接口,只要正转四分之一周期,就会出现一个正转脉冲使INT0中断一次。将反转脉冲与INT1接口,只要反转四分之一周期,就会有一个反转脉冲使INT1中断一次。每一次中断代表角度转过20″。对于不足四分之一周期的信号来说,首先,将信号送入A/D转换器,利用微处理器的数字处理能力,采用软件对莫尔条纹信号进行新的构建,然后进行数字细分、计算、制式变换、归一化、查表等,获得不足四分之一周期信号的小数值。这种数字细分是以空间域直接细分为基础的。

　　3　光栅运动过程的辩向与计数新技术

　　光栅信号的辩向与计数是实现光栅动态测量的关键性一步。因为光栅信号的数字测量必须要经过辩向电路和脉冲计数电路才能转化为数字信息输出,因此,在光栅的动态测量中,必须掌握光栅信号的辩向与计数技术。常规的辩向计数电路结构复杂,所需元器件多,功耗大、干扰大。本文所采用的电路是用可编程逻辑器件来实现常规电路的功能,具有体积小、功耗小、电路简单的特点。其具体辩向电路原理如图2所示。

　　其中除了微分电路外,其余的所有门电路只由一片可编程逻辑器件GAL16V8来完成电路设计。