一种新的光栅微位移测量方法的研究

    计量光栅技术作为一种实现高精度、大量程、高分辨率位移测量的手段之一,近年来在精密仪器、超精加工、数控机床等领域得到了广泛的应用。它的基本原理是将直线或角度位移量转化为莫尔条纹信号,再对条纹信号进行细分和计数,从而得到位移量^[1]。传统的莫尔条纹计数采用光电检测元件法,该方法是通过光电检测元件将干涉条纹的变化转变为电信号的变化,然后通过对此电信号的处理,最终完成干涉条纹的自动计数和显示。比如在迈克尔逊干涉仪实验中,就可以采用这种方法^[2]。该方法主要由四部分构成:光电检测与转换、波形整形与电平转换、计数、显示。测量原理如图1所示。

    图1中的正弦曲线是由光电检测电路得到的反映干涉条纹冒出或缩进变化的电信号波形示意图。其中干涉条纹的亮暗变化由电信号的上升与下降反映。方波曲线是经过波形整形与电平转换电路得到的标准TTL电平。此电平信号反映了干涉条纹的变化情况。通过附加计数电路,可以完成对干涉条纹变化的自动计数工作。但对该计数方法进行分析会发现,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。由于这种硬件计数法没有智能化可言,在光栅单方向移动时,可以正确计数,但当光栅的移动情况比较复杂时,就有可能发生丢数或多计数的现象。每计错一个数,就对应一个条纹当量的位移测量误差。在精密位移测量中这是不允许的。本文选用CCD摄像法采集图像,在此基础上提出一种新的技术算法,设计开发莫尔条纹计数测试软件,从而实现对光栅位移量的测量。

    1　莫尔条纹测长原理

    光栅节距P远大于光源波长时,由于衍射现象不明显,可用遮光原理来解释莫尔条纹的形成。如图2所示,在黑线与黑线交点的连线上,即图中的I,II, III连线,由于透光面积最大而形成条纹的亮带;在黑线与亮线交点的连线上,由于光线互相遮挡,而形成条纹的黑带^[3-5]。

    设莫尔条纹的间距为L,光栅的光栅距为d,由图可知光栅栅距和莫尔条纹的间距以及两个光栅的夹角满足关系^[6]:

    当两个光栅的夹角θ比较小时,方程可以化简为:

    L=d/θ             (2)

    由(2)式可以看出莫尔条纹具有位移放大作用,即当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距d时,莫尔条纹将移动一个条纹间距L。实验中采用的光栅的栅距为100μ alt="一种新的光栅微位移测量方法的研究"_m,即当参考光栅移动100μ alt="一种新的光栅微位移测量方法的研究"_m时,莫尔条纹移动一个条纹。所以有