摘要:本文提出了一种新的莫尔条纹数字化细分技术,即采用新的数字信号处理方法,利用CPU的信号处理能力,将读数头输出的两路正弦信号经过硬件辩向电路形成每四分之一周期的正反转中断信号,并在中断服务程序中进行角度的加减运算,实现莫尔条纹的四细分。同时对这两路信号进行新的构建,通过CPU及A/D转换器,采用软件编程方法形成一三角波线性函数,并采用新颖的细分算法进行二十细分,最终实现莫尔条纹的八十细分,角度测量的分辨可达1″。
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。
由辩向电路可得
式中,v1、v2、v3、v4分别为u1、u2、Q1、Q2的微分信号(也适用于单稳态信号);Q+与INT0接口;Q-与INT1接口,在正转时只有Q+有信号,而Q-没有,反转时只有Q-有信号,而Q+没有。所以实现了运动光栅的辩向。此辩向电路不仅实现了运动的辩向,而且还实现了莫尔条纹的四细分,使计数脉冲实现了20″的计数,而不是整周期每80″的计数。
测量角度的计算式可表示为
θ=n×20″+θ′
式中n为中断脉冲的个数;θ′为小于20″的角度值。此θ′在中断计数中无法获得其读数,必须经过数字细分才能获得。
4 光栅的数字细分新技术
由辩向获得的计数脉冲只是光栅莫尔条纹信号大于四分之一周期的整四分之一周期数,即大于20″的移动量的整倍数。对于小于20″的移动量来说,只有通过细分来实现。光栅信号用硬件进行细分的各种方法已得到广泛应用。如直接细分法,其电路简单,对信号无严格要求,可用于动态和静态测量,但细分数不高;幅值分割法,其电路复杂,精度较高,信号波形与幅值变化对精度影响较小,细分数较大,也可用于动态和静态测量。由此可得,当要求细分数较高时,若仍用硬件电路来实现细分,则电路较复杂,用纯硬件来实现细分显然是不适用的。由于微处理技术的蓬勃发展,所以利用微处理器进行处理、运算,用软件来实现电子学数字细分的方法也应运而生了。
目前光栅计量的软件细分方法有:正切查表法、直接细分法、斜率陡峭切割法等。这几种细分法均没有考虑信号的线性问题,引入的细分误差较大。本文正是考虑了信号的线性问题,采用由读数头输出的相位差为90°的两路正弦信号去构建一新的线性函数的方法(今后将此方法命名为新构三角函数数字细分法),用查询表的方式获得细分后的最小读数。下面将具体描述此细分原理。
利用sinθ和cosθ来作一线性函数使之具有恒定的灵敏度,并由此函数的大小和正负可以获得θ的值。于是我们采用将sinθ和cosθ送入A/D转换器进行模数转换,然后用软件编程的方法,利用sinθ和cosθ的数字量构建新的函数的数字量,并利用此新函数在软件上做二十细分。新构函数为
u= sinθ - cosθ
由图3可见,新建函数u在0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四段区间内为四段准线性函数,而且四段准线性函数的灵敏度相同。又由辩向电路可知,在0°、90°、180°、270°等处均产生了辩向脉冲,使微处理器产生了中断。所以我们根据中断以后的信号大小和正负,判断线性函数所处的区间段,然后用查表的的方式,实现光栅信号二十细分。首先,实现查询表的编制。在制表时,要考虑信号的特点,由于线性函数的所有信号段的灵敏度相同,所以在编制查询表时,只需要作其中一段函数的表,其余各段做相应的变换即可获得。如果作0°～90°区间的查询表,只需要将0°～90°区间的标准三角波函数的值平均分成二十等份列于表中,其中每一份代表1″读数,这样就能使测量细分值达到1″。用采集到的信号值经过新构建函数进行重新构建,将其数字量进行归一化,然后去表中进行查询,以获得最终小于20″的读数值。如果用α来表示最终信号采样值所构建新函数的数字量对应的角度值,那么,同样数字量在不同区间在正反转的情况下其角度值有所不同。正反转信号波形及新构建函数波形如图4所示。
由此可得,正反转在不同区段的同一幅度采样值所对应的角度值θ′列于表1中。
由于这种细分方法是利用判别区间和查询表实现细分的,没有细分计数脉冲,因而也就没有丢失脉冲的问题。采用两路信号构建一新的线性函数,可以消除灵敏度不均造成的细分误差。采用查表方式也减少了微处理器的运算时间。通过简单的操作,可修改微处理器程序,以实现细分数的改变。由于采用新构函数法,所以其查询表采用标准三角波线性函数,而新构函数在整个区间同标准三角函数不完全一致,则一定存在细分误差。经过分析可知,其最大误差不大于3%。由于采用微处理器进行信号处理,所以可对每一点进行逐点补偿,以减小细分误差,实现高精度细分。
总结以上的辩向与细分原理可知,将光栅读数头输出波形进行处理、整形,再经辩向电路实现莫尔条纹四细分计数。然后再经软件细分,将四细分后的信号进行二十细分,使最终细分数达到八十细分,分辨力可达到1″。
5 结束语
本文提出的用硬件来实现莫尔条纹信号辩向和四细分计数技术,以及用软件来实现的莫尔条纹信号的数字化细分技术已被用于我们的高精度电子经纬仪的研制中,并且取得了较好的效果,能获得1″的分辨力。目前,常规的辩向和细分法都是采用读数头输出的正、余弦信号的整周期来参与处理和计算的,并且细分是将整周期进行等分来获得细分分辨力的,并没有考虑信号的线性问题。而正余弦信号在其过零点处线性较好,在最大值处线性较差,这一定会引起较大的细分误差。本文提出的方法正是利用了信号在过零点处线性较好这一特点,作一线性函数进行等分而实现细分的。这一方法引入的误差小,硬件电路简单,抗干扰能力强。
参考文献:
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作者简介:崔骥(1972-),男,江苏省南京市人,南京理工大学电光学院硕士研究生,主要从事光电子技术方面的研究。
