（测试计量技术及仪器专业论文）共焦测头中音叉振动与时间差检测问题的研究.pdf

摘要 本文针对时间差法共焦测头中的音叉振动稳定性与时间差检测准确性的问 题进行了研究。音叉振动是实现测头主动调焦的重要步骤，其振动的稳定性是决 定测头测量精度的关键问题之一。同时，由于测头是依据焦点两次到达被测表面 的时间差来获取测量结果的，所以，时间差检测的准确性和可靠性也是决定测头 测量精度的关键问题之一。 本文对音叉的激振电路进行了改进，解决了音叉的自起振问题；在详细了解 了音叉振动情况的基础上，设计了基于高速a d 采集、数字电位器与f p g a 的音叉 稳幅控制电路，并通过对f p g a 编程实现了一种可行的音叉稳幅控制算法，使音 叉振动的稳定性有明显提高。同时，本文还在分析和了解了原有时间差检测方法 之不足的基础上，设计了同样基于高速a d 采集与f p g a 的测量信号处理电路，实 现了一种可靠的时间差检测算法。论文通过实验对所设计的电路和测头的性能进 行了验证，实验结果表明本文针对音叉振动和时间差检测的设计是合理可行的。 本文的主要工作如下： 1 设计了基于高速a d 采集、数字电位器与f p g a 的音叉稳幅控制电路和光 电信号处理电路。 2 研究了可行的音又稳幅控制与时间差检测算法，并用v e f i l o gh d l 语言 编写了实现算法的f p g a 程序。 3 做了针对音叉振动稳定性和测头测量精度与测量稳定性的实验，对实验 结果进行了误差分析。 4 总结了本课题还有待改进的问题。 关键词：共焦测头时间差检测音叉激振与稳幅f p g a a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sas t u d yo nt h es t a b i l i t yo ft h et u n i n gf o r kv i b r a t i o na n d t h ea c c u r a c yo ft h et i m ed i f f e r e n c ed e t e c t i o no ft h ec o n f o c a lp r o b eb a s e do nt h et i m e d i f f e r e n c em e a s u r e m e n t t h ev i b r a t i o no ft h et u n i n gf c i r ki st h em a i nm e a n st or e a l i z e t h em e t h o do fd y n a m i ca c t i v ea d j u s t i n gf o c u sa n di t ss t a b i l i t yi so n eo f t h ek e yf a c t o r s t ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o b e a n db e c a u s et h ep r o b eg e t st h em e a s u r i n gr e s u l t t h r o u g ht h et i m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef o c u sa r r i v i n g t h es u r f a c eo ft h eo b j e c t m e a s u r e d ，t h ea c c u r a c yo ft h et i m ed i f f e r e n c ed e t e c t i o ni sa l s oo n eo f t h ek e yf a c t o r s t ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o b e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i m p r o v i n gi sm a d eo nt h ee x c i t a t i o nc i r c u i ta n dt h ep r o b l e mo f t h es e l f - o s c i l l a t i o no ft h et u n i n gf o r ki ss o l v e d a f t e ra n a l y z i n gt h ev i b r a t i o no ft h e t u n i n gf o r k , ac i r c u i tb a s e do nh i g hs p e e da dg a t h e r i n g ，d i g i t a lp o t e n t i o m e t e ra n d f p g ai sd e s i g n e d a n daf e a s i b l em e t h o do fa m p l i t u d e c o n t r o lo ft u m i n gf o r ki s r e a l i z e di nf p g a t h es t a b i l i t yo ft h ev i b r a t i o no ft h et u n i n gf o r ki si m p r o v e d o b v i o u s l yb yt h e s ew o r k s a tt h es a m et i m e ，a f t e ra n a l y z i n ga n du n d e r s t a n d i n go f t h e d i s a d v a n t a g eo ft h ef o r m e rm e t h o d an e wm e t h o do ft i m ed i f f e r e n c ed e t e c t i o ni s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t or e a l i z ei t ，ac i r c u i ta l s ob a s e d o nh i g hs p e e da dg a t h e r i n g a n df p g ai sd e s i g n e d a n dt h e n ，s o m ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n dt h ed a t ai n d i c a t e t h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni nt h ed i s s e r t a t i o n t h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e ： 1 、i n t r o d u c e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt h eh i g hs p e e da d g a t h e r i n g ，t h ed i g i t a lp o t e n t i o m e t e ra n dt h ef p g a ，w h i c hc a nr e a l i z e dt h es e l f - o s c i l l a t i o n & a m p l i t u d e - c o n t r o lo ft u r n i n gf o r ka n dt h ec a l c u l a t i n gt h et i m e d i f f e r e n c e 2 、d i s c u s s e df e a s i b l em e t h o d st od e t e c t i o nt h et i m ed i f f e r e n c ea n dc o n t r o lt h e a m p l i t u d eo ft h et u n i n gf o r k ，a n dr e a l i z e dt h e mt h r o u g hp r o g r a m m i n gf p g a u s i n gv e r i l o gh d ll a n g u a g e 3 、i n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n td e s i g n e dt ot e s t i n gt h ea m p l i t u d es t a b i l i t yo ft h e o s c i l l a t i n gt u n i n gf o r ka n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o b e ，a n dc o m p l e t e dt h ed a t a a n a l y s e s 4 、s g m m a r i z e dt h ep r o b l e mn e e dt ob ei m p r o v e df u r t h e r k e yw o r d s ：c o n f o c a lp r o b e ，t i m ed i f f e r e n c e ，s e l f - o s c i l l a t i o n & a m p l i t u d e c o n t r o lo ft u r n i n gf o r k ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：玛 期：沙7 年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 虢俯撕 签字日期：加了年莎月1 日 导师签名： 签字日期哗f 月日 第一章绪论 1 1 三坐标测头 第一章绪论 三坐标测量机i l 捌是五十年代后期发展起来的一种高效率的新型精密测量仪 器。它是以精密机械为基础，综合电子技术、数控技术、计算机技术以及精密位 移技术为一体的高技术仪器，是综合了万工显、平台测量技术及精密坐标镗床技 术发展起来的一种高精度、高效率的精密仪器。能对三维复杂零件的尺寸、形状 及其相互位置进行高精度、高效率的测量。因而被广泛应用于机械制造、电子工 业、汽车工业、航空和国防工业等部门，用来测量零部件的几何尺寸及相互位置、 曲线、曲面、箱体类零件的孔距、模具、精密铸件、电子线路板、汽车外形、发 动机、凸轮和齿轮等。三坐标测量机不仅可方便地进行空间三维尺寸测量，还可 以进入生产线实现在线测量，在自动化生产、柔性加工、逆向工程中成为不可缺 少的设备之一。 三坐标测量机利用测头拾取信号。测头是三坐标测量机的基本部件之一，三 坐标测量机必须借助作为测量传感器的测头才能有效地完成测量工作。三坐标测 量机的功能、工作效率、精度与测头密切相关。测头可分为接触式和非接触式两 类，对工件进行测量时，如果采用接触式测头，则需对被测表面一点一点地进行 测量，效率非常低。虽然接触式测头可以实现对被测曲面的扫描测量，但由于测 量时测端需划过被测物表面，因此不可避免地与被测表面之间产生摩擦，导致弹 性变形和磨损，而且不能测量软质表面，并需要进行测头半径补偿。非接触测头 则可以实现对工件的高速测量。在非接触测头中，目前光学非接触测头是研究比 较活跃的领域，与接触式测头相比，光学非接触测头具有测量精度高( 可达亚微 米级) ；没有测量力，没有摩擦：测量速度与采样频率高；测量光斑小，可以探 测一般接触测头难以探测的部位，也不必进行测端半径补偿；探测的信息丰富； 受环境电磁场影响小、工作距离大等特点。随着各种高性能器件，如半导体激光 器、电荷耦合器件c c d 、位置敏感器件p s d 等的出现，光学非接触测头得到迅猛 的发展，新型测头不断出现，已经成为测量机测头发展的趋势。 1 1 1 接触式测头 接触式测头是发展较早的一种测头，包括机械式测头和电气式测头。 机械式测头又叫硬测头，是指测头与工件直接接触进行定位瞄准而完成测 量，主要用于手动测量。采用机械测头时，要求该测量位移机构的摩擦阻力越小 第一章绪论 越好，这样才能减小测量力引起的变形，从而提高测量精度。 电气式测头属于软测头，是现今三坐标测量机中，使用最多、应用范围最广 的测头。其测端与被测件接触后，测端可作偏移，传感器输出开关信号或模拟信 号。测端接触工件后仅发出瞄准信号的电气式测头称为触发式测头。 接触式测头便于拾取三向尺寸信号，应用比较广泛，种类也较多。接触式测 头其优点在于可靠性好、精度高，可实现三维微位移测量。其缺点是体积大，一 般垂直向下使用；与被测表面接触有摩擦、磨损以及弹性变形；不能测量软性物 体表面；需要进行测头半径补偿。接触测量需要逐点地对工作进行探测。即使 是扫描测量，还有测端与工件相碰、离开，坐标机改变运动方向、加速、减速等 过程。 1 1 2 非接触测头 对于非接触测头【3 ，6 8 】来讲，允许高探测速度，可以在测量机连续运动过程中 对工件进行“飞测 9 , 1 0 , 2 3 - 2 6 】，而且可以不是逐点地测量，同时对一个面进行测量。 由于不接触，能以很快的速度对物体进行扫描测量。与接触式测头相比，光学非 接触测头具有如下突出优点：没有测量力，没有摩擦；可以很快的速度对物体进 行扫描测量，测量速度与采样频率高；同时探测的信息丰富。平面图像的测量， 大规模集成电路及其掩模的测量是一个十分重要的领域，要用光学非接触测头测 量。 正因为非接触测头具有这些突出的优点，近年来，非接触测头的发展十分迅 速，成为探测技术的一个重要的发展方向。 目前三坐标测量机上常用的光学非接触测头主要有以下几种【l3 】： ( 1 ) 激光三角法测头 激光三角法属于主动视觉测量方法，是非接触光学测量的重要形式。它具有 结构简单、分辨力高、工作距离大等优点。其工作 原理如图1 1 所示，激光束照射在被测面上，利用 c c d 或p s d 接受漫反射光，根据光点在接受器上 的位置，利用三角法计算出测头到被测点的距离。 三角法测头的突出优点是它的工作距离大，量程 大。经过仔细标定修正，测量不确定度目前可达到 10 p m 。激光三角法测头l6 1 4 j 是在三坐标测量机上应 用最广泛的光学非接触测头之一。日本k e y e n c e 公司的l b 1 2 型测头，其工作距离为4 0 m m ，量程 l0 m m ，分辨力最高可达2 m 。 图1 1 三角法原理 第一章绪论 三角法测头也有其不足之处：首先，测头在原理上存在非线性，即探测器件 上光点的位移量与被测面实际位移不成线性关系；其次由于p s d 的非线性会导 致测量误差；再者，单发射单接收形式的三角法测头，被测面倾斜角不宜大于 4 5 0 ；最后，单发射单接收三角法存在由阴影效应产生的测量死角( 图1 2 ) ，即 无法得到测量光，而不能完成测量任务。 由于三角法测头原理上的限制以及被测件材料、反射性能等因素对测量结果的影 响，使三角法测头不可能达到接触式触发测头、模拟测头那样高的精度。尽管如 此，由于三角法测头工作距离大，量程广，再加上一些光学测头共有的优点，不 接触被测件、允许的工作与采样速度高、光斑直径小等，仍然受到人们的青睐。 一 图1 2 三角法测量弊端 ( 2 ) 离焦法测头 离焦测量方法【8 ，1 5 , 1 6 ，2 0 ，2 7 】在原理上类似于机械触针式测量方法，只不过触针 是聚光光束，然后利用不同的光学原理来检测被测表面轮廓相对于聚焦光学系统 的微小间距变化。就是将位移量首先转换为物镜焦平面相对于被测面的偏移量， 再由不同的转换元件将这种偏移量转换为光电探测器上光斑强度或大小的变化， 进而转换为电量输出的变化。测量时，照射在被测物体表面上的光斑处于聚焦状 态或位于焦平面附近。由于工作在聚焦状态，照到被测表面上的光斑直径可小到 几微米左右，因此这种测头也常称为光触针。由于在焦点附近光斑大小和位置的 变化很灵敏，这种测头有很高的分辨力，可达亚微米级精度。不足之处是测头量 程小，需要调整到焦点正对被测物体的位置，才有最大的光强信号出现，调整起 来非常困难。其垂直分辨力可以达到纳米级，水平分辨力受照亮点的尺寸限制， 即受衍射极限的限制。 共焦显微镜1 1 7 】的思想由m m i n s k y 在1 9 5 7 年首次提出，随后许多学者( 如 t w i l s o n 、c j r s h e p p a r d 和k c a r l s s o n 等) 对共焦系统作了进一步研究1 5 ，2 1j 。激 光扫描共焦显微镜( l a s e rs c a n n i n gc o n f o c a im i c r o s c o p e ，l s c m ) 是上世纪8 0 年代 开始投入实际应用的一种显微设备。与普通光学显微镜相比，l s c m 具有更高的 分辨率和放大倍率，并可以对观测样品进行分层扫描，实现样品的三维重建和测 量分析。这项产品的面世是显微成像技术发展史中具有划时代意义的重大进展。 第一章绪论 l s c m 在分子细胞生物学、遗传学等生物医学领域，以及材料学等工业工程领域 有着广泛的应用。扫描共焦显微镜不仅具有良好的垂直和水平分辨力，而且由于 其具有很好的深度响应特性所以光强对比度强，抗杂散光能力强；但同时它也 存在对针孔的尺寸和位置要求严格以及量程较小等不足。基于扫描麸焦显微检测 法的仪器有扫描共焦显微镜和激光位移计等。 基于扫描共焦原理的非接触测头1 1 1 2 , 18 有一个优点是它可以形成很小的光 斑，例如直径为几微米的光斑，可以对一些接触测端不易伸入的部件进行测量， 或对一些细节进行测量而且不必进行测端半径补偿。 - _ _ _ 光电探删器 戳光器 d 扫描器件 z 斑制 针孔 封光境 物惋 图i - 3 扫描共焦显微检测原理 如图l 一3 所示的扫描共焦显微检测原理：光源、被照物点和探测器三点处于 彼此对应的共轭位置。光源经过物镜在样品表面聚焦成衍射极限的光点，其反射 光沿原路返回再通过分光镜将来自样品的光信号导入作空间滤波器的共焦小孔 光闸( 针孔) 内，通过扫描聚焦点在样品上的位置对样品进行三维成像。由于其 关键技术是共焦小孔光阑的引入，探颡4 器只接收来自物镜焦点处的光信号，而焦 点以外的光将全被针孔屏蔽，因而共搀显微镜比常规显微镜的分辨能力要高得 多，这样就可以利用光电探测器件探测光强信号强弱的变化来获得表面微观轮廓 信息。 除了以上几种光学非接触测头外，还有几种非接触测头： 视像测头通常由照明、放大镜组、c c d 摄像头与监视器等部分组成。通过一 定方式的照明，将物体的几何轮廓变为光学轮廓。为了提高分辨力，采用具有一 定放大率( 通常小于5 0 ) 的镜组放大后，e h c c d 摄像头拾取并存储光学轮廓的信 息。常用于瞄准二维轮廓。视像测头可以实现不接触测量可同时获得整个视野 内的测量信息等，但影响视像法精度的因素较多，目前仍然是一个研究课题。视 垒 第一章绪论 像测头的精度一般在微米级，只有在某些条件较为确定的情况下可达亚微米级。 光纤传感技术i z u ，2 1 j 是7 0 年代中期发展起来的- - f - j 新技术。光纤传感器具有尺寸 小、不受电磁干扰、光路可挠曲、便于遥测等许多优点。 此外还有电容式测头和涡流式测头。电容式测头利用测头与目标面之间存在 的电容随测头与目标面距离的变化而变化进行测量，具有较高的分辨力，但要求 被测物体必须是导电体，而且若被测物表面存在水、油等污物会引起空气介电常 数的变化而影响测量精度。涡流式测头利用涡流原理工作，测头内部的高频线圈 产生磁场，在磁场的作用范围内，当金属目标面接近或远离测头时，测头内的线 圈的电感发生变化，根据这一变化，就可求得位移量。 目前，大部分非接触测头由于很大程度上受表面条件，如：颜色、表面粗糙 度、倾斜度等因素的影响，精度低于接触式测头。尽管离焦法测头在焦点附近有 很高的灵敏度，这种测头的量程相对较小。因此迫切需要设计一种高精度且量程 又不能太小的非接触测头。 1 2 本课题的研究内容 本课题是针对光学非接触测量这一领域开展的一些研究工作，力求通过研究 开发出精度高、量程大、结构简单、使用方便的非接触测头。 天津大学高翔博士【2 】结合离焦法测头和扫描共焦显微检测原理提出了一种 含参考光路的动态主动调焦的光学非接触测头。这种共焦测头同样是将光源、被 照物点和探测器放在彼此共轭的位置上，这与扫描共焦显微检测原理相同。为了 克服传统离焦法量程小的问题，测头引入了动态主动调焦的概念，放弃了以往用 离焦光强大小判断离焦量的大小的传统方法，取而代之的是用透镜的运动量进行 补偿，使焦点仍落在被测面上，即让离焦量回零。动态主动调焦的引入，大大扩 大了测量范围，基本克服了传统离焦测量方法量程太小的问题。为实现主动调焦， 高翔博士设计了由电磁线圈激励的音叉双透镜振动系统，并对双透镜振动的光路 进行了科学的计算分析，这为后面的进一步设计打下了良好的基础。 天津大学硕士李智、秦嘉、吕东伏等人在高翔博士的研究基础上对测头进 一步改进，舍弃了参考光路，提出了一种基于时间差法的共焦测头，使得测头光 路得以简化，测量更加方便。秦嘉、吕东伏在简化后的光路的基础上设计了带小 孔位置调节装置的测头结构，并经安装调试，使测头基本能用于实际的测量实验。 秦嘉等人通过科学的分析与实验，对激励音叉振动的激励线圈与感应线圈的线 径、匝数及其匹配关系进行了选定。这些工作为测头的进一步发展带来了方便， 提供了经验参考。 第一章绪论 江晓云、姚康宁针对工程实际需要，对测头光路做了进一步改进，使得测 头光斑大幅度缩小，并从新设计了测头机械结构，使测头结构更加紧凑、可靠。 目前测头基本完成了安装调试，正处于实验和进步调试阶段。 动态主动调焦和时间差法的引入，使得音叉振动和时间差的检测成为共焦 测头必须解决的两个问题。音叉振动方面先前的设计者通过合理选择音叉的材料 和合理设计音叉的结构已使音叉振动的频率很稳定，根据高翔博士论文中的音叉 自激振原理也设计了正反馈放大电路来激励音叉振动，但所设计的电路难以使音 叉在电路上电后自起振，需要外力拨动音叉才能使音叉振动起来，且音叉振动后 无法对其振幅大小进行控制，完全靠电路中芯片的电源电压的限制使音叉振动进 入一种饱和状态，这种饱和状态下音叉振幅稳定但难以保证每次上电后振幅相 同。时间差检测方面，吕东伏等人提出了一种沿检测方案，并设计了含i 转换、 比较器与f p g a 的光电信号处理电路，但由于光电信号在尖峰处上升与下降斜率 的不对称性，使得这种检测方法对被测面反射光强特别敏感，而实际测量时，由 于被测面粗糙程度和倾斜角度的变化反射光强也是不断变化的。这两方面存在的 问题正是本论文要研究和解决的问题。 本文所做的工作即是在基于时间差法的共焦测头的基础上，针对测头音叉 振动和光电信号处理即时间差检测两方面存在的问题进行的设计、改进与实验研 究。音叉振动方面，改进了原有的音叉激振电路，解决了音叉的自起振问题，设 计了基于高速a d 采集、f p g a 与数字电位器的音叉稳幅控制电路，并编写和调 试了电路中的f p g a 程序，实现了音叉的稳幅控制。时间差检测方面，设计了同 样基于高速a d 采集与f p g a 的测量信号处理电路，实现了一种可靠的时间差检测 算法。在电路以及程序调试完成后结合秦嘉、吕东伏设计的测头机械结构( 含光 路) ，做了音叉振动稳定性、测头测量精度、测头测量稳定性等实验并做出了一 定的误差分析。由于秦嘉、吕东伏设计的测头与江晓云、姚康宁设计的测头音叉 振动部分和光电信号处理过程是相同的，因此本论文中设计的电路及程序对于新 设计的测头也是适用的。 具体各章内容安排如下： 第一章对三坐标测头特别是光学非接触式测头及其优缺点做了简单介绍， 简要总结了共焦测头课题上前人的工作，说明了本文研究的内容与主要工作。 第二章对动态主动调焦法共焦测头的测量原理与时间差法进行了介绍，分 析了振动参数波动误差与时间差检测误差对测量精度的影响。 第三章这一章对测头的硬件电路做详细介绍，它分为音叉激振与稳幅控制 和光电信号处理两部分，这两部分除了信号源在相位上有一定关系，基本相互独 立，论文中分别给出了这两部分的硬件系统框图，并介绍了各级电路设计过程与 第一章绪论 功能。 第四章这一章是对音叉稳幅控制和时间差检测的f p g a 实现过程的介绍，分 析了音叉稳幅控制和时间差检测的算法以及实现算法的f p g a 程序模块划分，并 对各个子模块的实现做了简单介绍。 第五章这一章介绍了所做的实验，包括音叉振动实验、测量精度实验、斜 面测量实验、测头测量稳定性实验，说明了实验过程，对实验结果做出了一定的 误差分析。 第六章对所做工作进行了总结，并对共焦测头今后的进一步研究做了技术 展望。 第二章测量原理分析 第二章测量原理分析 本课题所研究的共焦测头是在激光扫描共焦显微检测法原理【3 ，6 ，7 1 的基础上， 引入动态主动调焦的方法和时间差法而产生的。本章首先简要说明了动态主动调 焦法和时间差法的原理，给出了必要的光路计算公式，分析了时间差检测误差和 音叉振动参数波动对测头测量精度的影响。 2 1 动态主动调焦法共焦测头的测量原理 激光扫描共焦显微检测法原理就是将位移量首先转换为物镜焦平面相对于 被测面的偏移量，再由不同的检测元件将这种偏移量转换为光电探测器上光斑强 度或大小的变化，进而转换为电量输出的变化。动态主动调焦的方法用透镜的运 动量进行补偿，使激光汇聚点仍落在被测面上，即让离焦量回零，对于光强的大 小变化不再需定量的计量，而只需定性的判断，这在扩大测头测量范围的同时， 也使测量变地更加方便。 光电转换器 点光源 分光镜 音叉毒蔷 图2 1 动态主动调焦法测量原理 物 如图2 1 所示，当点光源、小孔光阑、被测物表面相对于音叉透镜处于彼此 共轭的位置时，点光源发出的光透过分光镜，经音叉透镜会聚，会聚点刚好打在 被测物表面，反射光原路返回，经分光镜折射通过小孔光阑进入光电转换器。若 8 第二章测量原理分析 被测物表面并不处于音叉透镜的焦平面处，则反射光经分光镜折射后的会聚点也 不在小孔光阑处，只有极少的光能通过小孔光阑进入光电转换器，光电转换器输 出的电信号大小的变化反映的就是被测物表面偏离音叉透镜焦平面的位移。所谓 主动调焦就是使音叉带动透镜振动，假设被测物表面处于由音叉振动带动的物镜 聚光点的振动范围内，则总能找到某一时刻，光线经音叉透镜会聚后的光点正好 打在被测物表面，此时反射光也正好汇聚与小孔，经小孔光阑进入光电转换器的 光能最大，光电信号最强，测得此时音叉透镜偏离其平衡位置的位移，通过光路 计算公式，可以得到被测点偏离音叉透镜焦平面的位移。这就是主动调焦法共焦 测头的测量原理 5 1 。 下面简单给出先前的设计推导的光路计算公式及透镜偏移其平衡位置的位 移与被测点偏离音叉透镜焦平面的位移的关系曲线”，6 】： 本论文中设计的实验所用的测头的光路和结构是秦嘉、吕东伏设计的，测头 中的光路可以简单地用图2 2 来表示。 弋f 、 马应 藏i叁 一l 二_ 险 物镜聚光 ? ：i 氧 一”。 4b 图2 2 双透镜振动光路 图中l 透镜，相对其平衡位置的偏移量，2 为透镜幻相对其平衡位置的偏移 量。音叉为理想振动时始终有l = a 2 = ，即为需要测得的透镜偏移其平衡位 置的位移，：为物镜聚光点偏移物镜静止时的焦平面的位移，：与的关系为 可用下式表示： f 2 a = _ i o 竺善二百+ ( 2 1 ) 2 岔一( 厶+ z - b ) a + 厶2 、7 式中五。，厶为两透镜的焦距，b 为两透镜的间距。 取透镜焦距及透镜间距为实际尺寸z = 3 0 ，b = 1 0 ，依据上式运用 m a t l a b 仿真可以得到透镜振动位移量4 与物镜聚光点位移量a7 ( 测量点) 的关 系如图2 3 ，由图可以看出4 与么基本成l ：2 的关系，这种4 ，对4 的放大关系 可以使测头实现较大测量范围的同时将音叉透镜的振幅控制在较小的范围内，降 9 第二章测量原理分析 低音叉对其周围部件的振动辐射，提高测头结构的可靠性。 图2 3 透镜振动位移量与物镜光点位移量的关系 。穗 测头最终的测量结果表现为被测点偏离物镜焦平面的位移即：，由图2 - 3 ， 音叉振幅为在5 0 0 1 t m 内( 实际使用的音叉振幅小于2 5 0 i _ t m ) 时，：可近似表示 为： ：2 a 求导有： d a ：2 d a 即各种因数对最终测量结果造成的误差d ：是其对振动透镜位移量的测量造成的 误差d a 的两倍，为方便起见，下面的误差分析中，在不涉及定量分析时，仅对 d a 进行分析。 实现动态主动调焦有两个问题需要解决，首先必须使音叉能够稳定的振动， 这一点将在下面两章中详细介绍；其次是实现对光电信号最强时刻音叉透镜偏移 其平衡位置的位移的测量，这正是下一节介绍的时间差法解决的问题。 获得了光电信号最强时刻音叉透镜偏移其平衡位置的位移后，通过上面的 光路计算公式2 1 可获得被测物点偏离音叉透镜焦平面的位移：，若透镜焦平面 的位置已经过标定，则实现了对被测点的位置测量。 2 2 时间差法及时间差检测误差对测量精度的影响 从上面的分析可以知道动态主动调焦检测法对被测物体表面位置的测量是 通过测量振动透镜的位移量间接得到的，也就是说一旦通过光电检测器的输出 第二章测量原理分析 判断出物镜的聚光点在被测物体表面时，此时对振动透镜相对于平衡位置的位移 量大小的测量就成为问题的关键，因为位移量的测值精度直接影响了整个系 统测量精度，所以振动透镜位移量的测量是整个系统的一个至关重要环节。这 里介绍的时间差法是为求得振动透镜位移量的一种比较方便的方法。，在音叉透 镜振幅稳定的前提下，这种方法不需要定量测量由被测面返回的光强的大小，只 需定性判断返回光强最强的时刻，并测量出两个最强时刻之间的间隔然后由透镜 的振动方程就可计算出振动透镜位移量。这种空间域测量到时间域的测量的转 换给测量带来了很大方便。图2 4 为时间差法测量原理示意图： s j 林。7 f o il j 图2 4 时间差法测量原理示意图 号 将音叉透镜的振动视为理想的谐振动，图中第一条曲线为音叉透镜振动曲 线，图中被测表面位置并非实际被测面位置，而是物镜聚光点( 光触针) 打在被 测表面上时透镜所处位置，曲线的零位为音叉振动的平衡位置，它与物镜静止时 的焦平面位置相对应。只要测量面处于光触针的扫描范围内，则音叉透镜振动的 一个周期内必然使光触针两次位于测量面上，光触针位于测量面上时，反射的光 线经透镜和分光镜恰好会聚于小孔处，光电接收器接受到的光强最强，而其它时 刻大部分光将被小孔挡住，得到的光电信号如图中第二条曲线所示。图中所示缸 即为我们为了求取被测面距物镜焦平面的偏移量所需要的时间差。 设振动透镜的振动方程为： 第二章测量原理分析 w = a s i n o o ( t + f o ) 其中w 为振动位移，a 为振幅，幼为角频率，t o 为初相位。由于测头的原点位 置是振动透镜的平衡位置，所以可认为t o = 0 ，得到： w = a s i n c o o t 假设光触针位于测量表面一点时振动透镜位移量为，那么有： = a s i n 出( 2 2 ) 若已测得图2 4 中所示光电信号两个相近极大光强时刻的时间差t d ，且已知 音叉的振动周期t ，则： 出( t 2 一t a ) 2( 2 - 3 ) 结合公式2 - 2 ，2 3 即求得光触针位于测量表面一点时振动透镜位移量，代 入公式2 1 则可求得测量面偏离物镜焦平面的位移量。于是问题的关键是检测光 电信号两个相近极大光强时刻的时间差t d 。时间差t d 的检测算法本文在4 2 1 节 做了详细的分析和介绍，3 2 节介绍了测头的光电信号处理电路，它是实现算法 的硬件基础。 下面对时间差检测误差对测量精度的影响分析如下： 公式2 2 中对f 求导得： d a = a r o o c o s c o o a t d a t ( 2 4 ) 音叉材料和结构选定后音叉的固有频率就定下了，于是2 - 4 中钒基本为常量， 出了时间差检测误差d a t ，可变参数为音叉的振幅a 和出，础即代表测量面所处 的位置。在时间差检测误差d a t 大小一定的情况下，由式2 4 可知，( 1 ) 振幅越大， 时间差检测误差对测量结果的影响越大；( 2 ) a t 越接近零即测量位置越靠近物 镜静止时的焦平面，时间差检测误差对测量结果的影响越大。根据以上分析，从 减小时间差检测误差对测量精度的影响的角度考虑，在满足测头对测量范围的需 要的前提下，应尽可能将音叉的振幅控制在较小的幅值上。 2 3 振动参数的波动对测量精度的影响 动态主动调焦法测头最基本原理是通过测量振动透镜的位移量来换算得到 被测物点偏离测量原点的位移大小，从上面介绍的调焦法测头的测量原理可知振 动透镜的位移量大小的测量转换成了时间的测量，这种从空间域测量到时间域 测量的转换的一个前提是透镜振动的稳定性足够高，因此有必要分析振动参数的 波动对测量精度的影响。 硬件电路检测出时间差出后发送给上位机，上层软件由公式2 2 ： a = as i nc o o a t 求得光点打在被测面时透镜偏移其平衡位置的位移，然后代入公式 2 1 求得测量结果：，由于：与近似成正比关系，为方便起见，这里仍然从分 析振动参数的波动对的影响的角度去分析其对测量结果：的影响。 1 2 第二章测量原理分析 计算时，振动参数a ，看1 5 取的常重，唯一的燹重是时i 闭差a t ，时间振 动参数的波动影响的也是出，因此可以首先分析振动参数的波动对出的影响。 从式2 - 2 中反解出a t 的： 血= 去一n p 5 ， a t 分别对纨，a 求导有： 批一a r c 渤( 会) d 一罢d ， d 血：一垒一以：一里竺d a ( 2 7 ) c o o a , a 2 一2 c o o a c o s c o o a t 联立2 - 6 与2 4 得： d a = a a t c o s o o a t dd c o o ( 2 - 8 ) 式2 8 中，音叉中心频率取3 4 3 h z ，t 0 似 a t v 2 ，当比较器 输入大于v 1 时输出高，一但输出变高只有等到输入小于v 2 时输出才变低，而 v 2 低于v 1 ，这样能防止信号在v 1 附近波动时使输出产生边沿抖动，v 1 与v 2 之差代表了噪声容限。 实际测量时，由于被侧面倾斜角度的变化或表面粗糙程度的变化，反射回 来的光强变化往往很大，光电信号的幅值变化也很大，若比较其仍采用固定门限， 则当光电信号尖峰的极值较小时或尖峰之间的电压较大时，容易出现某些尖峰没 有对应的正脉冲( 比较器输出) ，或几个尖峰对应一个正脉冲，根据上一节介绍 的峰值检测法这两种情况都会导致时间差检测出错。为了避免这种错误，比较器 门限必须能跟踪光电信号尖峰的极值的大小变化。基于这种考虑，滞回比较器的 实现流程如下： 图4 1 9z h i h u i c m p 实现流程图 图4 1 9 中，m a x 为比较器模块内部保存尖峰信号极值的寄存器，d i n 是滞回比较 器模块的输入，为光电信号a d 采样值，r e f l 、r e f 2 为两个常量且r e f l r e f 2 ，o u t 为比较器输出。r e f l ，r e f 2 的选取对比较器的工作性能影响较大，r e f l 需大于光 电信号尖峰处的最大波动量，r e f 2 与r e f l 之差在保证足够的噪声容限的情况下应 尽可能小，这样才能尽可能的保证一个尖峰对应一个正脉冲，这是后面时间差检 测模块g e t c n t 正常工作的关键。 ( 2 ) 时间差检测模块g e t c m ： g e t c n t 模块的端口定义如下图： 4 5 第四章音叉稳幅控制和时间差检测的f p g a 程序设计 图4 2 0g e t c n t 端口定义示意图 图4 2 0 中d a i n 为音叉感应线圈电压的a d 采样值，用于对时间差的方向性进行 判断，d b i n 为光电信号的a d 采样值即图4 1 6 中的s 1 ；c m p l n 接比较器z h i h u i c m p 的输出即图4 1 6 中s 2 ；c n t o u t 为检测的时间差，它是一1 6 位计数器对a d 采样 时钟的计数值，a d 采样时钟为5 m h z ，1 6 位时间差的每一位代表0 2 u s ；o r 为 输出数据的锁存信号，其它模块在o r 上检测到上升沿时从c n t o u t 上读取新的时 间差。 上一节介绍的峰值检测发主要在这一模块实现，其实现过程可以用一状态 机描述，状态机的状态图如下： 图4 2 1 时间差检测模块状态机状态循环图 p 第四章音叉稳幅控制和时间差检测的f p g a 程序设计 图4 - 2 1 中c m p l n _ p 代表c m p l n 的上升沿到来，c r n p l n _ n 代表c m p l n 下降沿到来。 各个装状态的操作为： i d l e ：检测到c m p i n 上升沿时拉低o r ，清零并启动1 6 为计数器t o ，转向 p e a k l ： p e a k l ：在c m p i n 下降沿到来前找d b i n 上出现的最大值并记录对应时刻的 t o 值于寄存器t l ， c m p l n 下降沿到来后转向p e a k l p a s s ； p e a k l p a s s - 清零用于保存d b i n 最大值的临时寄存器，在c m p l n 上升沿到 来后转向p e a k 2 ； p e a k 2 ：在c m p l n 下降沿到来前找d b i n 上出现的最大值并记录对应时刻 t o 值于寄存器t 2 ，d a i n 的值于寄存器a l ，c r n p l n 下降沿到来后转向p e a k l p a s s ； p e a k 2 p a s s ：同p e a k l p a s s ： p e a k 3 ：在c m p l n 下降沿到来前找d b i n 上出现的最大值并记录对应时刻 t 0 值于寄存器t 3 ，d a i n 的值于寄存器a 2 ，c m p l n 下降沿到来后转向p e a k l p a s s ； p e a k 3 p a s s ：由t l ，t 2 ，t 3 ，a l ，a 2 计算出时间差c n t o u t ，拉高o r ，转向 i d l e 。 ( 3 ) 多个时间差求平均模块g e t a v e r c n t ： 通过对多个时间差求平均可以一定程度地减小因振幅波动和求取时间差时 光电信号极值点检测不准确超成的测量误差，但这会使测头的检测速度下降。本 设计中采用6 4 平均，单个时间差的检测时间基本与音叉振动周期相同，振动频 率约3 4 3 h z ，可算得经过平均后的检测速度约为5 4 h z ，即得到一个测量结果大 约需要0 2 s 。 求平均模块g e t a v e r c n t 端口定义示意图如下： g e t a v e r c n t d i no u t w ei n tb e l k r s t 图4 2 2g e t a v e r c n t 端口定义示意图 图4 - 2 2 中d i n 接g e t c n t 的c n t o u t ，w e 接g e t c n t 的o r ，因而每当w e 上出现上 跳沿，可从d i n 上取得新检测到的时间差；o u t 输出6 4 个时间差的平均值；i n tb 4 7 第四章音叉稳幅控制和时间差检测的f p g a 程序设计 与单片机的外部中断相连，每得到一个平均值i n t b 向单片机申请一个中断，单 片机响应中断，读入平均后的时间差并依制定好的串行通讯协议对其进行打包， 然后将打包后的数据经由f p g a 上的串行通讯模块发往上位机。 g e t a v e r c n t 对时间差求平均的实现流程如下： 图4 2 3 g e t a v e r c n t 实现流程图 图4 2 3 中，a c c 为2 2 位的寄存器，用于保持多个1 6 位时间差的累加值， c o u n t 为一计数器，用于判断已参与累加的时间差的个数。 在累加前，还可以对参与累加求平均的数据大小进行判断，舍去那些与上 一次输出平均值相差过大的数据而用上一次的平均值作为插值，这样会在一定程 度上降低测头对测量位置变化的跟踪速度，但会使测量的数据更加稳定。 第五章实验与误差分析 第五章实验与误差分析 电路和程序调试完成后，在秦嘉、吕东