光栅莫尔条纹细分技术研究

1、编号20130921114 本科生毕业设计（论文）光栅莫尔条纹细分技术研究Study on the subdividing technique for morie fringes of grating学 生 姓 名高飞专 业光电信息工程学 号0921114指 导 教 师赵馨分 院光电工程分院2013年 6月长春理工大学光电信息学院毕业设计摘 要光栅是一种精密测量装置，测量原理是以光栅移动形成的莫尔条纹为基础。介绍输出正弦信号和方波信号的光栅在位移测量中脉冲细分的常用方法，分析其中两种方法的电路与波形并对其进行实验，验证细分原理的正确性。本文对莫尔条纹细分技术进行了深入研究，提出了提高细分精度和

2、分辨力的解决方案。从基本原理上归纳总结实际应用中各种细分方法的实现途径和特点。 重点对莫尔条纹形成和特点进行研究并对细分精度影响因素进行理论分析；在常规信号调理的基础上，通过对电路处理系统进行分析，可极大提高细分精度，从而提高光栅传感器的精度关键词：光栅 莫尔条纹 细分 ABSTRACTGrating is one measuring device of high precision, and its measuring principle is based on Morie fringes which is created by grating moving. Introduces the

3、common methods which the grating of sinusoidal and square outputs utilizes in pulses subdividing during displacement measuring, and specially analyzes circuits and waveforms of two methods .Finally，one experiment is done on the two methods , and it proves the correctness of subdividing principleThe

4、formation and characteristics of Moire Fringes is studied perfectly and how to improve the subdivision precision and distinguishment are put forward in this thesis. The realizations and the characteristics of various subdivision methods according to the principle are summarized first.The tangent sub

5、division method of Moire Fringe is studied with emphasis and the factors which influence the subdivision precision are analyzed theoretically. Improving the accuracy of grating sensor by the analysis of circuit processing system Key Words: Grating Moire fringes Subdivision 目 录第一章 绪 论11.1引言11.2国内外的研究

6、现状1国外光栅技术研究概况2国内光栅研究概况21.3本课题研究的目的和意义3第二章 莫尔条纹原理及光栅传感器42.1 光栅的基础知识42.2 莫尔条纹的形成52.3 莫尔条纹的特点6误差平均效应7运动对应关系7位移放大作用72.4 莫尔条纹信号预处理7信号调理7光强补偿82.5光栅传感器9第三章 电路及处理系统原理123.1 差分放大原理123.2光栅传感器辩向原理133.3条纹细分技术17结 论32参考文献33致 谢34长春理工大学光电信息学院毕业设计第一章 绪 论1.1引言 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之。从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相

7、关的。由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm；有了测微比较仪，使加工精度达到了1m左右；有了圆度仪等精密测量仪器，使加工精度达到了0.1m；有了激光干涉仪，使加工精度达到了0.01m。目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1m的精度，正在向着纳米级的加工水平发展，表面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。特别是20世纪60年代激光的问世以及后来的计算机技术的迅猛发展，给精密测量技术及其测量设备增添了无限生机和活力，极大地加速了它的发展。测量原理和技术不断创新，测量器具和设备日新月异。测量方法和操作越趋简明，为科学发展、技术创新、经济繁荣和社会进步做出了越来越大的贡献。 随着测量技术的

8、飞速发展，对于精密测量仪器的要求越来越高。以计量光栅技术为基础的精密测量器件已成为现代高精度测量系统的主导。计量光栅的核心是光栅莫尔条纹技术，它是以光栅(长光栅、圆光栅和编码盘)为位移基准，以莫尔条纹为技术基础对几何位移量(长度和角度)进行精密测量的一门学科。光栅莫尔条纹测量技术是集光、机、电于一体的数字位移传感技术，它采用光电转换可将机械位置信息转换成相应的数字信号输出，具有精度高、响应速度快、稳定性好、非接触、无磨损、抗干扰能力强等优点，可实现对角度、速度和相关机械物理量的测量，广泛应用于坐标测量机、精密机床等高精度位置测量领域1。 1.2国内外的研究现状 1950 年德国 Heidenh

9、ain首创 DIADUR 复制工艺，使得制造高精度、价廉的光栅刻度尺成为现实，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。半个多世纪以来，世界各国都在致力于发展高精度位置测量技术，研究开发新型的测量元件和信号细分技术。到目前为止，人们所公认并得到广泛应用的位置测量技术是计量光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅和激光等。在检测系统中由于光栅测量系统性能稳定、可靠性好、精度高、使用方便、价格适中，和其他测量系统相比有明显的优势。到上世纪90年代，国际市场上数控、数显机床和测量机上80%以上的测量系统都采用光栅，国内外光栅市场竞争比较激烈，新技术新产品层出不穷2。 为了进一步提高光栅测量系统的分辨率，

10、国内外研究开发了多种不同的细分技术，主要包括机械细分法、光学细分法和电子细分法。在上世纪80年代，由于微电子技术的迅速发展和微处理器的出现，使采用电子细分和数字化处理的办法对测量传感器的节距(信号周期)进行电子细分和误差修正，以提高测量系统的分辨率和系统准确度及动态响应速度成为可能，光栅莫尔条纹的电子细分得到广泛应用。相继出现基于莫尔条纹信号幅值调制、相位调制、微机细分、CCD成像细分及光纤法细分等细分技术。 国外光栅技术研究概况 德国 HEIDENHAIN 公司是当今世界研制和生产直线光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统等产品的著名跨国公司。该公司在研发、生产和测试等各个环节都

11、严格进行控制，测试项目涉及静态、动态精度，细分误差，冲击和振动，启动性能，环境试验，防护等级，电磁兼容等多个项目，该公司内部标准都高于通用工业标准的要求。在尺体的制造上，HEIDENHAIN 采用影像测量原理的栅距为20m和40m；采用干涉测量原理的栅距为4m 。在信号输出方式上，过去的光栅全部都采用11App的正弦电流信号输出，现在改为输出的正弦信号：1Vpp电压信号，传输距离150 m；机床用的光栅尺输出信号改为TTL方波，传输距离50 m，采用通用的D型插头。西班牙FAGOR 公司1975年制造出第一台数显表，从此跨入光栅数显、数控行业。FAGOR玻璃光栅尺的栅距为20m，最大测量长度3

12、m，准确度±3m和±5m，分辨率从 5m到0.1m，最大速度120m/min；金属反射式钢带尺栅距是40m和100m，准确度分别为±5m和±10m，测量长度达到30m，最大速度达到120m/min。英国RENISHAW的光栅尺是镀金的钢带光栅，测量长度可达70m，光栅尺可按设备的具体需要剪切至合适的长度，其背面有自粘的特别设计，能快速安装。光栅尺的栅距有20m和40m两种，读数头中有内置细分卡可以对栅距进行4400倍频细分，分辨率从5m、1m、0.5m到50nm，最大测量速度180600m/min。若配置外置细分卡分辨率可以到20nm和10nm，相应的速

13、度分别为300mm/s 和150mm/s。光栅尺的精度是任意1m长度上为±3m。 日本SONY 公司生产的用于反馈的磁栅尺SR33/34 有较高水平，输出信号周期40m 的正弦波，分辨率0.05m 1m，准确度±3m，最大速度 150m/min，测量长度从70mm2040mm，防护等级可以达到防水的IP65。SONY 公司用于大型机床的测量长度的长磁栅尺MSS-101水平也很高，测量长度从 3200mm30m，分辨率为0.5m，最大速度为30m/min，准确度为±5m 。SONY的绝对式磁栅尺2005年夏天已推出。 国内光栅研究概况 我国在光栅方面的研究起步较晚，

14、加之国外技术的封锁，研究的进程也比较缓慢。在“七五”、“八五”期间，计量光栅的研究被国家列为重点发展项目，进入上个世纪九十年代，随着高精数控机床、精密测量仪器在机械、轻工、冶金及国防等领域的广泛应用，为计量光栅等精密测量装置的研究、开发提供了一个良好的契机。 1.国内光栅尺研制概况 中国大陆年生产光栅尺销售额超过人民币一千万元以上的企业有长春光机、信和、怡信、万濠、贵阳新豪。玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，准确度已达到±15m、±10m 、±5m和±3m，分辨率为5m和1m，速度为 60m/min。年生产20万支光栅尺，并有30%出口，主要应用于机床数显

15、和测量仪器。圆光栅编码器国内最大的生产厂家是长春一光，有比较强的开发、设计、生产能力和销售网络，年产量25万套。各企业的销售额都在人民币1亿元左右，人平均产值1520万元。 2.国内信号细分和数字化电子装置研究概况 目前，国内研究和开发光栅检测系统的各个单位都在研制各种经济型的位置测量产品，部分已批量投放市场，满足国内机床配套及技术改造的需要。这部分产品一般分辨率为 1m, 5m, 10m，精度为±5m±20m，同时，也都在以经济型光栅作为测量传感器的前提下，为提高系统的分辨率而进行莫尔条纹电子细分新技术的研究。1992年，沈阳工业大学数显技术研究所设计研制了新型高精度的光

16、栅数显装置，精度达到0.1m。浙江大学、重庆大学研究出新型的莫尔条纹时空脉冲细分技术，精度达到0.1m；西安交通大学、清华大学、合肥工业大学等科研单位也正在致力于微机细分技术的研究，以提高测量系统的精度。 341.3本课题研究的目的和意义 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。 目前我国对于光栅测量技术的水平与国际先进水平还存在一

17、定的差距，因此。以较为经济的方式实现光栅唯一高精度测量对于推动我国的精密测量技术，精密加工技术的发展具有普遍意义，光栅位移测量系统的研究也将推动我国光栅测量技术水平的提高。光栅莫尔条纹技术是一门既古老又现代的测量技术。对莫尔条纹的研究最早可以追溯到十九世纪末期，二十世纪五十年代以后开始应用于实际测量，并逐步对莫尔条纹的形成机理开展了广泛的研究，至今已形成了三种主要的理论：基于阴影成像原理：认为由条纹构成的轨迹可表示莫尔条纹的光强分布；基于衍射干涉原理：认为由条纹构成的新的光强分布可按衍射波之间的干涉结果来描述；基于傅立叶变换原理：认为形成的莫尔条纹是由低于光栅频率项所组成。这三种理论都可以解释

18、莫尔条纹现象。一般来说，光栅刻线较疏的可用遮光阴影原理来解释，而光栅刻线较密的用衍射干涉原理来解释则更为恰当。莫尔条纹形成机理是所有光栅式测量系统的理论基础，深入研究光栅莫尔条纹形成机理，分析讨论它的结构及光强分布规律，这对光电位移传感器的结构设计、改善莫尔条纹光电信号质量等都具有指导意义。第二章 莫尔条纹原理及光栅传感器莫尔条纹是光栅测量的基础，清楚了解莫尔条纹的形成、特点及信号必要的硬件处理是对其进行高倍数高精度细分的前提条件。 2.1 光栅的基础知识 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。这些刻线是透明和不透明的，或是对光反射的和不反射的。图2.1所示的是一块黑白型

19、长光栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的线宽为a，不透光的缝宽为b，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的缝宽，即a = b，也可刻成ab = 1.1：0.9。图中d = a + b称为光栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数），它是光栅的一个重要参数。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角。栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。图2.1 黑白型长光栅在几何量精密测量领域内，光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。刻画在玻璃上的光栅称为长光栅，也称光栅尺，用于测量长度或几何位移。根据栅线型式的不同，长光栅分为黑白光栅和闪烁光栅

20、。黑白光栅是指指对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅。闪烁光栅是指对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅。根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将栅线刻制在透明材料上，常用光学玻璃和制版玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜（如铝膜），光栅也可刻制在钢带上再粘结在尺基上。 刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻画的方向，圆光栅分为两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。计量光栅的分类可如图2.2

21、所示 图2.2 计量光栅的分类图2.2 莫尔条纹的形成 莫尔即法语Moire音译，意思是在水面上产生的波纹。两块光栅迭合时，也产生类似的波纹花样，故由此得名。 并不是任意两块光栅重叠都能看到莫尔现象，由多个光栅在不同情况下重叠形成的莫尔图案也并不是全都能看到，随着各光栅之间的角度或相对位置发生改变后，形成的莫尔图案的形状、大小和位置也会改变。图2.3(a)为长光栅结构，光栅上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为b ，不透光的缝宽为a。一般情况下，透光的缝宽与不透光的缝宽相等，即a = b，称为光栅栅距（也称光栅常数或光栅节距）；对圆光栅盘而言，更多使用栅距角的概念，即圆光栅盘上相邻两刻线所

22、夹角。 如果栅线间的夹角为，则光栅组透光部分呈菱形。当有光源照射光栅时，综合效果就是一组等间距亮带形成了莫尔条纹，图2.3(b)所示。(a)长光栅结构 （b）莫尔条纹的形成图2.3 莫尔条纹产生原理当两块迭合光栅沿着垂直于栅线方向相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线近似的方向作相应的移动，两块光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。如果不考虑光栅的衍射作用，又设它们的栅距相等，缝宽和线宽都相等，则根据简单的避光原理，在线重叠处两块光栅的栅线完全避光，透光量为0，在缝重叠处两块光栅栅线不彼此避光，通光量最大，此时光通过两光栅后的能量分布将是一个三角波，但实际上由于光的衍射作用，光能量分布是一

23、个近似的正弦波。不难理解，当很小时，莫尔条纹的移动方向与光栅相对移动方向近似垂直,产生莫尔条纹的宽度W 为： （2.1）莫尔条纹的移动量D及主、副光栅间相对位移x之间的关系为： （2.2）式中放大倍数。单个光电元件只能接收固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而不能判别位移方向，而如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 为达到这一目的，通常在指示光栅每隔1 /4莫尔条纹宽度处放置一个光电元件，即四个光电元件间距为W /4，这样由光电元件得到相位相差 /2整数倍的四路信号

24、，经差动放大后得到正余弦信号和，两路信号放大整形后送入电路，通过判断相位的相对导前和滞后实现辨向。正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，实现位移量的准确测量。在理想状态下，光电元件输出电压u与光栅位移x之间关系可表达为： （2.3）其中v为光栅移动速度，为光栅栅距， A为电压幅值。由式（2.3）可知，当信号电压幅值一定时，光电元件输出为理想正弦波，但由于光栅付相当于谐波发生器，且照明光源、光栅间隙、光栅的衍射作用、光电元件特性等影响，光电元件输出信号含有高次谐波，残余的直流电平及直流电平变动造成直流电平漂移，多路信号幅值的不一致性以及多路信号相位不正交

25、，导致光电元件输出不是理想的正弦波。2.3 莫尔条纹的特点 莫尔条纹对微小位移和微小转动非常敏感，只要互相重叠的两幅图案之间的相对位置有一点点的变动,都可能带来莫尔图案的十分剧烈的变化，因此可实现对输入信号（位移量）的精确转换。 莫尔条纹具有几点重要特征。 误差平均效应莫尔条纹测量与一般线纹尺式测量是不同的。线纹尺的测量过程是对一根刻线进行瞄准，因此任何一个刻线间隔的误差都将1:1地反映到测量结果中去。而在光栅式测量中，光电元件接收的是一个区域中所含的栅线形成的莫尔条纹，由光栅的大量栅线共同形成，个别栅线的栅线误差或者个别栅线的断裂或其它疵病，对整个莫尔条纹的位置及形状的影响将很微小，即莫尔条

26、纹在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响。这时，数条莫尔条纹所指示位置的平均标准差和单根栅线所指示位置的标准差之间的关系可由下式表示： （2.4）其中n为参与形成莫尔条纹的栅线数。 可见莫尔条纹位置测量的可靠性大为提高，个别栅线的栅距误差对测量结果的影响被减小，光栅式测量可以有更高的精度。 运动对应关系莫尔条纹的移动量、移动方向与两光栅的相对位移量、位移方向的对应关系。当主光栅沿与栅线垂直的方向相对移动一个栅距d 时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动一个莫尔条纹的宽度W；在两块光栅的栅线交角 一定的条件下，莫尔条纹的移动方向与光栅的位移方向相同。因此，测量时可以根据莫尔条纹的移动量和移

27、动方向判定光栅的位移量和位移的方向。 位移放大作用 由于两光栅的夹角很小，光栅栅距d 和莫尔条纹宽度W 有如下近似关系: （2.5）可以看出,莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为1 /。当很小时，d和W的比值很大，所以尽管用肉眼难以观察到栅距，但莫尔条纹却清晰可见，这一点对于布置接收莫尔条纹信号的光电器件来说非常有利。 2.4 莫尔条纹信号预处理 信号调理光电元件接受到的光栅衍射后的莫尔条纹，将其转换为电信号，直接获得的莫尔条纹电信号非常微弱，通常为微安级的电流信号，幅值小、功率小，无法满足莫尔条纹检测和细分要求，因此要实现细分必须对电信号进行信号调理，主要为信号的放大和滤波。 信号调理电路如图2

28、.4所示，利用运算放大器构成微电流放大转换电路，该电路具有较大的放大倍数及较宽的可调范围，输出电压： （2.6）当可调电阻R1=4.7K时，T 形电路的等效电阻Rf =3.2K馈回路跨接0 .1F的钽电容，降低放大过程中的高频噪声，电容在电路中有100%的负反馈。调零电路可以有效消除光电元件暗电流及运放的零点漂移。图2.4 莫尔条纹信号调理电路为进一步提高系统检测的灵敏度，信号放大后应采用有源二阶低通滤波器滤除莫尔条纹信号中的高频噪声分量，电路中的运放应具有输入阻抗高、输出阻抗低及高的开环增益和良好的稳定性等特点，这样可以保证有源滤波器的简单构成和良好性能。 光强补偿莫尔条纹信号细分之前除了要

29、进行必要的信号调理，光源本身的稳定性也是影响细分精度的重要因素，因为光强的偏移会对测量精度带来系统误差，一般说来，光源在长期工作状态下时的光强波动率应不超过±5%。 光栅测量系统一般采用N 沟道结型场效应管(JFET)实时改变放大电路的增益，来抑制光强的波动。原理是采用场效应管对管连接方式，取一束不经光栅衍射的直接照射到光电元件上的光束作为参考光源，参考光源的波动规律与所检测的莫尔条纹相同，补偿电如图2.5所示：图2.5 光强补偿电路放大电路增益： （2.7）当光强增大时，参考光源信号INPUT相应增大，引起JFET的漏源电阻增大，放大倍数K下降，从而使输出信号OUTPUT下降；反之

30、光强减小时，放大倍数K增大，从而使输出信号OUTPUT增加。这样当光强发生变化时，补偿电路可实时地抑制因光强波动而产生的莫尔条纹信号波动。 2.5光栅传感器 光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。下面以黑白投射光栅为例说明光栅传感器的工作原理。如图2.6所示。 1、光源2、聚光镜3、主光栅4、指示光栅5、光电元件图2.6 黑白投射光栅光路主光栅比指示光栅长得多，主光栅与指示光栅之间的距离为d，d可根据光栅的栅距来选择，对于每毫米25线到100线的黑白光栅，指示光栅应置于主光栅的“费涅耳第一焦面上”，即 (2.8) 式中：光栅栅距； 有效光的波长； 两光栅的距离；主光栅和指示光栅在平

31、行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅是光栅测量装置中的主要部件，整个测量装置的精度主要由主光栅的精度来决定。光源和聚光镜组成照明系统，光源放在聚光镜的焦平面上，光线经聚光镜成平行光投向光栅。光电元件主要有光电池和光敏晶体管。它把由光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转化为电量输出。光电元件最好选用敏感波长与光源相接近的，以获得较大 的输出，一般情况，光敏元件的输出都不是很大，需要同放大器、整形器一起将信号变为要求的输出波形。 经过前面的分析可知，莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图2.7看出，两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最暗的渐变过程。 正

32、最大 负最大 正最大 a b c d e f g 位移x图2.7光栅位移与光强、输出电压的关系主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成近似的正弦波形的电信号。电压小的相应于暗条纹，电压大的应于明条纹。它的波形看成是一个直流分量上叠加一个交流分量。 (2.9)式中：栅距； 主光栅与指示光栅间瞬间位移；U0直流电压分量；Um交流电压分量幅值；输出电压；由式(2.9)可见，输出电压反映了瞬时位移的大小，当x从0变化到W时，相当于电角度变化了360°，如采用50线/mm光栅时，若主光栅移动了x毫米，即50x条线将此条数用计数器记录，就可知道移动的

33、相对距离。第三章 电路及处理系统原理3.1 差分放大原理光栅传感器的四路输出信号(正弦，负正弦，余弦，负余弦)含有直流成分，采用差动放大器去掉直流电平。四路信号表达式如下: （3.1）这里采用差动放大器 LM324N , 分别将两路信号送入放大器的输入端，进行相减运算，得 （3.2） （3.3）当则上式变为 （3.4） （3.5）差动放大器输出一个放大的不含直流成分的正弦波信号。LM324N是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4.1所示的符号来表示。两个信号输入端中，9(-)为反相输入端

34、，表示运放输出端8(0UT)的信号与该输入端的相位相反;10(+)为同相输入端，表示运放输出端8(OUT)的信号与该输入端的相位相同，放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻R1、R2决定，Av=-R2/R1负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图3.1中所给数值，放大倍数为1,此电路仅用做减法电路。 LM324N的其特点是:可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作;四个运放的一致性很好;输入偏流电阻是温度补偿的，不需外接频率补偿;输出电平与数字电路兼容。单电源供电为3VDC30VDC，双电源供电为，这里电阻都取10k阻值，将input1和input3(正弦信号)送入差动运算放大器，输出为放大的不含

35、直流成分的正弦波信号。同理我们将input2和input4(余弦信号)送入差动运算放大器，输出为放大的不含直流成分的余弦波信号。图3.1差分放大电路3.2光栅传感器辩向原理在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移3。设主光栅随被测零件正向移动10个栅距后，又反向移动一个栅距，也就是相当于正向移动了9个栅距。可是，单个光电元件由于缺乏辨向本领，从正向运动的10个栅距得到10个条纹信号，从反向运动的一个栅距又得到一个

36、条纹信号，总计得到11个条纹信号。这和正向运动11个栅距得到的条纹信号数相同。因而这种测量结果是不正确的。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这种辨向任务的电路就是辨向电路。为了能够辨向，应当在相距0.25B的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90°的正弦信号，然后送到辨向电路中去处理，辨向电路原理框图如图3.2所示。 图3.2 辨向电路原理图主光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，这时光电元件1和2分别输出的正弦电压波形u1和u2，而且u1超前u290°。u1和u2

37、经整形放大后得到两个方波信号u1'和u2 '，且u1'仍超前u2 ' 90°。 u1"是u1'反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"两个方波经微分电路后得到的波形。由图3.2分析可知，对于与门1，由于u1'w处于高电平时，u2 '总是低电平，因而与门1输出为零。对于与门2，u1"w处于高电平时，u2 '也正处于高电平，因而与门2有信号输出。当主光栅反向移动时，莫尔条纹向下移动。这时光电元件1和2分别输出的正弦电压波形u1滞后u2 90°。u1

38、和u2经整形放大后得到两个方波信号u1'和u2 '，且u1'仍滞后u2 '90°。同样，u1"是u1反相后得到的方波。u1'w和u1"w是u1'和u1"两个方波经微分电路后得到的波形。同样由图3.2分析可知，对于与门1，由于u1'w处于高电平时，u2 '也处于高电平，因而与门1有信号输出。对于与门2，u1"w处于高电平时，u2 '却处于低电平，因而与门2无输出。具体辨向电路各点波形图如图3.3所示。正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲

39、数，这样光栅传感器就可辨向，因而可以进行正确的测量。 （a）正向移动的波形 （b）反向移动的波形图3.3 辨向电路各点波形图 在实际的设计电路中，辨向电路的设计是与四细分电路的设计相结合起来的，也就是说，先是四倍频细分电路，其输出的方波信号再进入辨向电路。四倍频细分电路输出的方波信号互差90°。具体辨向电路原理图如图3.4所示。图3.4 辨向电路原理图A和B是五倍频细分电路所产生的两路相差90°的方波信号。A、B A和B分别是四倍频细分电路所产生的方波信号，DG5和DG10是集成电路74LS54四与或非门。由于在正向移动时，U01有信号输出，U02没有信号输出，这样既可以实

40、现了变向，又可以实现了20倍频细分。当反向移动时，U01没有信号输出，U02有信号输出。波形如图3.5所示4。(a) 正向移动时的波形图（b）反向移动时的波形图图3.5 辨向电路各点的波形图3.3条纹细分技术 高精度的计量和检测，通常要求长度精确到1m 0.1m，如果以光栅的栅距作为计量单位，则只能技术整条纹，其数值远大于上述的要求5。例如，光栅为每毫米250线时，移动一个栅距的位移量为4m，即相当于最小读数值0.1m的40倍。要达到上述要求的准确度数值，长光栅栅线密度必须达到每毫米千条线到万条线。就目前工艺水平而言，每毫米千条线则无法实现，也没有必要。刻线密度如此大的光栅是不适宜作标准器的。

41、因此，在选取合适的光栅栅距的基础上，对光栅栅距细分，读取栅距的分数值，即可得到所需要的最小数值，提高“分辨”能力6。 光栅细分的方法有三种，一是机械细分法（增加光栅刻线密度）。这种方法国外曾采用过，但由于该法受到工艺限制，所以，一般来说，对于比每毫米250条更细的光栅是不适用的。二是电子细分法。这种细分方法是最通用的。采用电子技术对交变电信号进行内插、补插的方法提高了技术脉冲的频率，故电子细分又称为倍频。三是机械-光学的方法。采用这种方法细分时，位移的分数值通过微动的指示光栅达到预定的基准相位的位置，即所谓“归零而测得”，又称为零位法，其缺点是每次读数必须归零。但电子系统简单，细分力强，精度也

42、高7。在前面讨论的光栅测量原理中可知，以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。下面介绍电子细分法中常用的几种细分方法：1、直接细分 直接细分又称位置细分8。直接细分常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距B/4的光电元件，这样可以获得依次相差90°的4个正弦交流信号。用鉴零器分别鉴取4个信号的零电平

43、，即在每个信号由负到正过零点时发出一个计数脉冲。这样，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。四细分也可用相距B/4的位置上放两个光电元件来完成。两个光电元件输出两个相位差90°的正弦交流信号U1和U2，而U1、U2再分别通过各自的反相电路，从而得到U3=-U1，U4 = -U2，这样也可以获得依次相差90°相角的四个正弦交流信号U1、U2、U3 和U4。同上述一样，经电路处理也可以在移动一个栅距的过程中得到4个等间隔的计数脉冲，从而达到四细分的目的。（a）每变化一周的一个脉冲数(b) 每变化一周的四个脉冲数图3.6 细分和未细分的波形比较使用单个光电元件为

44、进行细分时的波形和脉冲数见图3.6(a)，四细分时的波形和脉冲数见图3.6(b)。 位置细分法的优点是对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点是由于光电元件安放困难，细分数不能太高。 由位置细分的分析可见，细分的关键是在莫尔条纹一个周期内得到彼此相差同一相位角的若干个正弦交流信号，从而通过电路处理，一个莫尔条纹周期就可得到若干个计数脉冲，从而达到细分的目的。 2.电阻电桥细分法（矢量和法）如图3.7所示，由同频率的两个信号源u1和u2及电阻R1、R2组成电桥9，其输出电压为： (3.6)图3.7 电阻电桥细分原理若、 ，同时又设 ，则 (3.7) 用此信号去触发施

45、密特电路，当（或）时，施密特电路被触发（过零触发），发出脉冲信号。角按细分数选择，即事先安排好之值。3、电阻链细分法电阻链细分本质上属于电阻电桥细分，只是在结构上略有差异，实际应用的场合也有所不同10。 电桥细分是正、余弦模拟信号细分技术的基础。 电阻链细分主要是实现对正、余弦模拟信号的细分，其工作原理是：将正、余弦信号施加在电阻链两端，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正、余弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分。如图3.8所示，图中u1和u2是光电元件输出的两路信号，分别对应于正弦信号和余弦信号。设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链

46、两端加有交流电压u1、u2，其中，u1=Esint， u2=Ecost a) 原理图 b) 矢量图图3.8 电阻链分相细分结合实际要求的技术指标，由于选择的光栅测微传感器是50线的，所以要想达到1m的精度，必须对光栅测微传感器输出的信号进行放大后，产生sint、cost、-sint的信号进行20细分。根据细分的原理，先是对放大的信号进行五倍频细分，五倍频细分是采用电阻链细分的方法，具体的电路如图3.9所示。 由图3.9可知，通过电阻链得到了10个移相信号。根据等值细分的要求，移相角 = k*18°（k=0,1,2,3.9)。根据前面分析的计算公式，可以求得21RR的值为：0、0.32

47、49、0.7256、1.3764和3.0777。兼顾到电阻系列的标称值，在实际电路中电阻值分别是18、24、33、56四种。图3.9 电阻链五倍频细分电路原理图10个移相的正弦信号经过10个电平比较器得到10路相位依次相差18°的方波。电压比较器接成施密特触发电路的形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大于信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差，因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和精度两方面的因素。再经过异或门电路组合，获

48、得在一个周期内两路相位差90°的占空比为1：1的五细分方波信号。五倍频细分电路的工作波形如图3.10所示11图3.10 电阻链五倍频细分电路的波形图将五倍频细分电路输出的两路方波信号A和B接至四倍频电路的两个输入端，就可以组成一个20细分电路。具体的四细分实现电路如图3.11所示。四细分电路的波形图如图3.12所示。图3.11 四倍频细分电路原理图图3.12 四细分电路的波形图细分精度的高低取决于两个因素：（1）细分电路的性能；（2）光栅信号的质量。一方面，应当以可能获得高质量的光栅信号为前提，提出合适的细分数和细分精度要求；另一方面，不应当片面强调光栅信号侧高质量，因为光栅作为标准

49、器是不可能没有误差的。因此，要权衡两个方面，以求得合理解决光栅细分的精度问题。电子细分对光栅信号有以下几点要求： （1）光栅信号的正弦性； （2）光栅信号的等幅性； （3）光栅信号的正交性； （4）全光栅波形一致性； （5）共模电压抑制； （6）反差；4、鉴相细分鉴相式细分是通过信号的相位差来模拟光栅系统的位移，然后对信号的相位差进行细分12。鉴相式细分的实现首先需要把被测信号调制成调相波。原理框图如图3.13所示，、是相位差90度的两路正交信号，、。是引人的高频载波信号，将它们相乘，按照三角函数中两角和的公式然后相加，得到调相信号。 其计算公式如下 （3.8）其中光栅的机械位移角，x光栅传感

50、器的相对位移量，d光栅的栅距。图3.13鉴相式细分原理在这里已经从空间信号参量变为时间信号参量，虽然在数值上仍然等于dx/2。然后将sin(t+)和进行比相，通过开关控制填充的脉冲数，进行相位跟踪，从而完成细分。该方案细分数大，精度较高，对信易波形的正交性要求严格，电路比较复杂。适用于动态、静态测量。这种方法的最佳之处在于将位移量这个时空信号转变成相位信号，测量出相位的大小，即可推算出位移量。这种方法可以得到较高的细分数，通常为2001000。但是相位调试细分法对运动的均匀性要求较高。该方法要求调制信号的频率远远高于传感器输出信号的频率，否则，在动态测量中容易引入误差。5、锁相细分法锁相环路1

51、3是一个能够跟踪输人信号相位的闭环自动控制系统，在通讯、雷达、导航、测量等电子技术的各个领域得到广泛应用，锁相倍频器原理如图3.14所示。锁相倍频器是锁相环应用的一种。锁相倍频细分采用的是锁相跟踪倍频器即锁相环，它是由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器四部分组成。其功能是倍频和锁相跟踪。所谓倍频，即通过压控振荡器使输出信号频率是输人信号频率的N倍，所谓跟踪，即使输出信号的相位跟踪输人信号，并使两者同步。图3.14 锁相倍频器的原理图锁相细分法的原理是将分频器的输出信号与传感器的输出信号通过鉴相器处理后，控制压控震荡器输出信号的频率，压控震荡器的输出即为所需的倍频信号。由于压控震荡器输出信号

52、的频率为传感器的信号频率的N倍，因此必须通过一个N倍的分频器分频后才能送入鉴相器。这里的分频器就是细分环节，细分数由分频器的分频数决定。当光栅移动时，信号相应发生变化，为了鉴别输入信号的相位，并且每次比相都以前一个周期的信号相位为基准，那么将压控振荡器的输出信号。进行N分频后与光栅莫尔条纹信号比相。由于输出信号F与莫尔条纹信号f是每周期比相一次，所以压控振荡器控制电压也是每周期变化一次。若在某次比相时莫尔条纹信号相位变化则鉴相器输出信号Ud=2K/N用它去控制压控振荡器，并恰当选取压控振荡器的颤动元件，使压控振荡器倍频N倍，那么输出信号相位刚好变化一个周期。若压控振荡器每一个周期输出一个计数脉

53、冲，则当莫尔条纹信号变化一个周期时，压控振荡器便发出N个脉冲，从而实现光栅莫尔条纹信号的N细分14。锁相细分法可以达到较高的细分数，但该方法对信号的匀速要求较高，因此在使用范围上会受到一定的限制。采用纯电子细分方法系统的硬件电路比较复杂。由于纯硬件电子细分方法对信号的要求比较高，且调整复杂，所以硬件电子细分法无法应用于高分辨率的系统。6、微机细分技术随着微机技术的发展，利用微型计算机通过数字计算进行细分的方法开始出现。微机细分技术15从原理上可以分为以下三类。与硬件相结合细分技术是在硬件电子细分法的基础上，引入微型计算机以简化电路结构，并提高系统的数据处理能力。此类细分系统中，微型计算机并不直

54、接进行信号细分，因此信号的细分分辨率还是由系统原有的硬件决定，但采用软件代替速度判别电路，得到位移量和最大位移量等。时钟脉冲细分技术是将位移信号的细分转化为计时的方法，在信号的位移区间内填入微机时钟脉冲信号，根据所填的脉冲数目就可以确定出要求的位移。由于微机时钟脉冲频率或分频数改变方便，大大简化了硬件电路，避免了硬件电路中各种干扰带来的影响，保证测量结果的稳定和可靠。然而由于速度误差和信号相位误差的存在，时钟脉冲信号细分技术应用范围受到相应限制。量化细分技术是通过传感器输出两路正交的正弦信号，首先将一路信号经放大整形后得到方波信号，计算机对方波信号的脉冲进行计数。同时将两路正弦信号进行A/D转换，根据两路信号的正负和大小，将一个信号周期细分为八个相位区间，再根据两路正弦信号的绝对值之比查表确定细分数。如果需要进一步的细分，可在每个区内再进一步细分。量化细分的倍频数可根据A/D的位数设定，且细分倍数和精度较高，是目前应用较多的一种微机细分技术。微机细分技术充分利用了计算机