摘要:介绍了用于磨床加工的光外差表面粗糙度在线干涉测量仪整机的信号处理系统,着重讨论了其中的两项关键技术,即利用负反馈构成的宽动态范围测量信号的自动电压控制以及依据计大数和测小数相结合的高精度动态相位测量,系统的测量精度达2.6°(相当于3.2nm),允许测量中最大多普勒频移±10kHz(对应高度的变化率±8.75×10-3m/s),完全满足磨床加工中表面粗糙度在线测量的要求。现场测试证实了这一点,这对于精加工、超精加工表面粗糙度的在线质量控制、提高加工精度等非常重要。
引 言
随着光、机、电工业以及尖端科学技术的发展,对精加工、超精加工表面的要求日益增加,这使得表面粗糙度的测量变得非常迫切,在表面加工中实现实时在线测量更是梦寐以求。传统的触针式表面粗糙度[1]测量仪虽然比较成熟,但其触针的扫描压力常划伤待测表面,加之触针半径的大小受到一定的限制而影响横向分辨率的进一步提高,这一切使得非接触式光外差表面粗糙度干涉测量应运而生[1]。光外差干涉表面粗糙度测量原理是[2,3]:将相干光分成两束,分别经过频差为2MHz或(1MHz)声光调制器AOM1和AOM2而产生光拍,由于测量光从待测表面返回,故光拍相位正比于待测表面高度的起伏,通过相位测量而获得表面粗糙度。由此可知:要实现加工过程中表面粗糙度的实时在线测量,必须解决以下问题:
第一、测量光要在被测表面上扫描移动,以获得整个待测面的信息,而待测表面粗糙度的差异决定了各测点光反射系数的不同,使得从待测表面返回的测量信号在幅度上大小不同,这直接影响相位测量的精度,进而使表面粗糙度测量结果的精度大大降低。现场测量表明:对于标准量块,测量信号可达0.1V,最小则全部淹没在噪声中,用示波器辨别不出信号的波形。这说明测量信号的大小能否控制在一固定(或可调)的电平上是非接触式表面粗糙度干涉仪实现现场测量的前提。
第二、待测表面高度的变化使得照在待测面上的测量光斑点的大小发生变化即离焦,这直接影响测量的横向分辨率,测量光的自动调焦是必需的。
第三、常规的精加工、超精加工表面的高度起伏为几个nm到几个μm,这就要求测相分辨率要达到纳米量级,并且要求动态测量。
结合研制的应用在磨床上的实时在线表面粗糙度干涉仪,文中介绍上述第一和第三关键问题的解决办法即宽动态范围的自动电压控制和高精度相位计(动态测相且含计大数),第二个问题将另文介绍。
1 基本原理
为了使系统能在磨床上实现±10μm范围内纳米级在线测量,必须保证测量信号不随待测表面粗糙度的差异而变化,消除测量信号振幅变化引入的测量误差;另外,必须实现高精度的动态相位测量(含计大数)。系统所用半导体激光器波长为0.875μm,则±10μm的测量范围对应约50个整数周期,1纳米高度起伏对应相位变化约1°。
光电探测器接收到的光外差参考信号的频率和测量信号的中心频率均为2MHz(声光调制器的频率分别为98MHz和100MHz),就目前的器件水平,直接对2MHz信号进行分辨率为度量级的相位测量是困难的,而经过电外差将信号频率降下来,进而实现高精度的相位测量是完全有可能的,关键是精心设计电混频器,将电混频过程引入的误差控制在允许的范围内。为此,系统信号测量的整体原理框图见图1。(参考信号与待测面无关,其大小的稳定性取决于光源光功率的稳定性)
2 关键技术
2.1 自动电压控制放大器
自动电压控制AVC放大器的基本原理见图2。考虑到测量信号的信噪比有时较差,通过带通滤波器BPF的选频提高信噪比;交流/直流转换器通常是峰值(或平均值或有效值)检波器,输出直流电压正比于转换器输入电压的峰值(或平均值或有效值);差放将设定电压Vset与交流/直流转换器输出电压之差放大并作为误差信号控制可控增益放大器的增益,使输出电压的峰值(或平均值或有效值)等于设定的电压值。
由于待处理的参考信号频率和测量信号的中心频率均为2MHz,所以图1中相应元器件应具有足够的频带宽度。在我们研制的系统中,可控增益放大器选用AD602,其增益可控范围-10dB～+30dB,频带宽度DC～35MHz;用AD843(CBFET输入级,频带宽度DC～34MHz)组成中心频率为2MHz、3dB频带宽度约91kHz的有源带通滤波器;跟随器由AD843构成;选用真有效值转换器AD637实现交流/直流转换,该芯片最高工作频率达8MHz;考虑到整个闭环的工作频率,选用AD843实现放大,以产生可控增益放大器AD602所需的控制电压。
实测表明:输入信号的峰-峰值在1mV～5V范围内变化时,该电路的输出电压的峰-峰值一直控制在所设定的2V电平上。
2.2 混频器
图3是所设计的双混频器的原理框图。在测量过程中,参考信号的大小及频率是稳定的,所以由参考信号通过锁相环PLL而获得本振信号。测量信号和参考信号分别与该本振信号线性相乘并经低通滤波器LPF获得差频信号,从而实现混频,混频后的信号送相位计。
参考信号频率fr=2MHz,测量信号中心频率fm=2MHz,本振信号频率fosc=1.970MHz,混频后参考信号频率和测量信号的中心频率为30kHz;锁相环选用的是74HC4046,四象限乘法器选用AD834(最高工作频率为500MHz),由AD834构成有源低通滤波器。
2.3 高精度相位计——计大数与测小数周期相结合
基于计大数与测小数周期相结合的设计思想,所设计的高精度相位计见图4。
图4中,计小数周期部分属于填脉冲法,即参考信号经N倍频后作为计数信号送至控制门;而测量信号和参考信号经高速鉴相器输出的脉冲宽度tw与它们的相位差Δ成线性关系,即tw=ΔΦT/360°(T是信号周期),该信号作为控制信号也送至控制门;这样,计数器的结果NΔ送至计算机,该数值直接表征了测量信号和参考信号间相位差的大小,即ΔΦ=NΔΦ/N×360°(在所设计的系统中N为1024)。计大数周期部分中,测量信号和参考信号分别经16倍频后,过对顶脉冲消除电路、交错脉冲消除电路,最后产生加/减计数脉冲送可逆计数器计数,计数结果NINT送至计算机。
需要说明的是:测量结果的整数部分由计大数周期部分决定,为Nint/16的整数部分;而Nint/16的小数部分决定测量结果的小数部分是NΔ/N×360°还是(1-NΔ/N)×360°,这一点很重要,否则在零相差附近测量误差非常大。
在设计中,高速鉴相器选用AD9901,它的最高工作频率达200MHz,信号频率在300kHz以下时,鉴相精度保证在0～360°严格线性;所有倍频过程均选用74HC4046锁相环实现,其最高锁相频率37MHz;可逆计数部分由74LS193构成。
3 实验结果
3.1 信号大小对测量精度的影响
HP3326A双路同步信号发生器输出的一路峰-峰值设定为1V、频率设定为2MHz作为系统的参考信号,另一路频率设定为2MHz而其峰-峰值从1mV变化到5V,系统读数的变化见图5,最大偏差Δ1≈±1.44°。
由于自动电压控制电路中可控增益级的AD602是根据控制电压的大小自动换档改变增的，所以图5中出现了上、下的多处尖峰。
3.2 相位计测试结果及测量精度
系统的测量信号、参考信号输入端均接到信号发生器HP3326A的同端,并在2MHz附近的一定范围内改变信号的频率,测量结果的最大偏差:Δ2≈±2.16°。结合Δ1,系统的测量精度约为
系统的测量信号、参考信号分别接至HP3326A信号发生器的两输入端,参考信号的相位保持不变,测量信号的相位从-360°均匀变化360°,测量结果见图6。其中,HP3326A输出的两路同步信号的初相差决定了读数值与测量信号设定的相位值之间的差异。从过零点看,测量结果的小数到整数的过渡过程中继续保持测量的整体平滑趋势,说明测小数周期与计大数相结合的思路是成功的。
另外,系统动态测试表明测量时允许的多普勒频移最大值为Δf=±20kHz,对应待测表面高度的变化率为±8.75×10-3m/s(Δf·λ/2,其中λ为工作波长)。
4 结 论
结合用于磨床的在线表面粗糙度干涉测量仪的研制,文中描述了两项关键技术即自动电压控制和高精度动态相位计(工作中心频率2MHz),并给出了具体的实验结果。测试表明:系统测量精度2.6°即3.2nm,允许待测表面高度变化产生的多普勒频移的最大值±20kHz,对应高度的变化率±8.75×10-3m/s,这说明系统满足磨床精加工、超精加工在线测量的要求。整机(包括光学部分)现场测试也证实了这一点,这对于精加工、超精加工的在线测量、控制加工质量等具有重要意义。
从整个系统看,如果能进一步稳定测量信号的电压幅度或设法降低电混频引入的误差,可望进一步提高测量精度。
参考文献
1 Huang C C.Optical heterodyne profilometer [J].Optical Engineering,1984,23(4):356-370
2 Downs M J,Mcgivern W H,Ferguson HJ.Optical system for measuring the profiles of super-smoothsurfaces[J].Precision engineering,1985,(4):211-215
3 Sommargren G E.Optical heterodyne profilometry[J].Applied Optics,1981,20(3):610-618
基金项目:香港蒋氏工业慈善基金资助项目
作者简介:赵洪志,(1963-),男,博士后,从事光电测量与控制研究。
