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1、中国科技论文实验技术与管理Vol.19No.3200230统计源期刊位移的莫尔条纹测量技术李丰丽,钟金刚(暨南大学物理系,广州510632)摘要:本文采用莫尔条纹技术,实现了一种对位移量进行精确测量和控制的方法。从莫尔条纹的产生,光电信号的转换,到对信号的鉴零、编码、计数、显示和控制,构成一个完整、实时的监测系统。可实现高精度检测,有效控制位移量。关键词:莫尔条纹;电子细分;GAL中图分类号:TH741文献标识码:B文章编号:1002-4956(2002)03-0030-04位移的精确测量和自动控制在高精度检
2、测、加工及其它领域中有着非常重要的作用,莫尔条纹技术具有位移高倍率放大的光学特性,经光电传感,采用电子细分技术,结合计算机技术,可对位移量进行实时准确的检测和控制,具有广泛的应用范围。1系统原理(1)莫尔条纹测量原理我们把两块相同栅距的一维计量光栅(20~100线对/mm)以一定的交角迭合产生莫尔条纹,将其中一块光栅附着在移动的物体上,称之为标尺光栅,另一块与光电接受器件装在一起,称之为指示光栅。如果光栅栅线是平行直条纹,莫尔条纹则是平行直线族。当迭合交角很小时(0),莫尔条纹与标尺光栅栅线几乎垂直,这种莫尔条纹通常称之为长光栅莫尔条纹。
3、当标尺光栅沿着垂直于栅线的方向移动,指示光栅固定不变时,莫尔条纹的运动方向近似垂直于光栅的移动方向。光栅每移动1个栅距,莫尔条纹就移动1个条纹间隔,光栅改变运动方向,莫尔条纹的运动也随之改变方向,两者之间有着对应的运动关系。我们可以通过测量莫尔条纹的位移来获取标尺光栅的位移量和移动方向。莫尔条纹具有位移放大作用,条纹间距B与光栅栅距d之间有关系式B=d/,因为很小,所以放大倍数K=B/d=1/很高(如=20,K=1/172)。莫尔条纹的光学特性为实现位移量的高灵敏度、高精度检测奠定了基础。(2)电子细分技术横向莫尔条纹光场的亮度分
4、布符合正弦规律。这是由于光栅叠加图案、两光栅有一定的间隙以及光源有微小线宽综合作用的结果。用光电器件接收莫尔条纹光场亮度信号时,接收狭缝比条纹宽度窄得多,则输出的电信号波形也符合正弦规律,由于亮度没有负收稿日期:2001-04-07作者简介:李丰丽(1967),女,硕士,实验师。位移的莫尔条纹测量技术31值,所以电信号是叠加在一个直流分量上的正弦信号。在一个条纹间距内可以排列多个光电器件,这样可以提取多相正弦信号。标尺光栅运动方向不同,所取得的多相正弦信号的时序相反。电子细分技术可以大大提高测量精度,并能自动判别位移的方向。本系统采用4相光电
5、池来接收光亮度信号,输出4相叠加在直流分量上的正弦信号。将4相硅光电池附于固定的指示光栅上,使其刚好占满1个莫尔条纹宽度,则取得的4相正弦信号U1、U2、U3、U4,相邻位相差为90,经运放后去除直流分量。各相正弦信号经过鉴零电路得到4相方波信号t1、t2、t3、t4。标尺光栅正向移动和反向移动取得的信号的相位关系是相反的,可以根据4相方波信号的时序来判断位移的运动方向。4相方波信号再经微分电路产生4相脉冲计数信号P1、P2、P3、P4。我们经前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,送至编码电路进行数字逻辑组合分别得到正向
6、和反向计数脉冲信号。标尺光栅正向移动时正向脉冲输出端Q+输出加法计数脉冲Q+=t1P4+t2P1+t3P2+t4P3,反向脉冲输出端Q-无输出;标尺光栅反向移动时Q+无输出,Q-输出减法计数脉冲Q-=t1P2+t2P3+t3P4+t4P1。这样我们通过计数、显示、控制电路就可得到准确的位移量,并对系统发出相应的控制信号。2系统结构本系统主要由光路部分和电路部分组成,光路部分的作用是产生莫尔条纹信号,电路部分的作用是用光电器件接收莫尔条纹信号,经前置处理电路和编码电路产生计数信号和判向信号,再由计数显示和控制电路进行计数、显示,
7、并作出相应的控制。系统结构框图如图1所示。图1系统结构框图(1)光路设计由光学部分产生莫尔条纹信号,采用光电器件接受光场亮度信号进行光电转换,把光信号转换成电信号,作为电子细分和计数的原始信号。本系统光学部分由照明系统、光电接收器件、标尺光栅和指示光栅组成。光源经准直镜成为均匀的照明光,4相光电池贴附于指示光栅,标尺光栅移动时,莫尔条纹移动。由4相光电池接收光信号作光电转换输出电信号。(2)电路设计前置处理电路4相光电池输出的4相正弦信号相邻位相差90,经过前置处理电路得到所需的4倍频计数脉冲信号和判别位移方向信号,再送后续电路进行计
8、数、显示和控制。零伏偏置电路和放大电路4相光电池接收莫尔条纹亮度信号,输出4路正弦信号U1、U2、U3、U4,每1路信号和光电池的地端之间接零伏偏置
