CN101144728A - 光学干涉条纹编码计数法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学干涉条纹编码计数法。把光学干涉条纹信号通过光电探测器转换成电信号；将来自光电探测器的正弦、以及经反相器处理的反相正弦、余弦和地信号四路分别输入比较器；比较器输出四位二进制变量的编码；通过本发明的条纹编码计数法，使测量系统能精确分辨出被测物体的运动方向和位移变化值，包括被测物细微振荡时。位移分辨率可以达到T’/8(T’：条纹当量，也即一个条纹所对应的位移量)的分辨率；正弦和余弦信号之间相位允许偏差，且可以达到接近π/4；通过编码计数法固化在FPGA中使其实时性好。

Description

光学干涉条纹编码计数法

技术领域

本发明涉及激光干涉测量技术，特别是涉及一种光学干涉条纹编码计数法。

背景技术

激光干涉测量技术是一种实现高精度、大量程和高分辨率位移测量的重要手段之一，在精密仪器、高精度精密加工、数控机床等精密工程领域中得到了广泛的应用。光学干涉条纹信号处理技术是激光干涉测量技术的重要组成部分，一般将干涉条纹通过一定方法分为两路位相相差π/2的信号，经光电探测器接收后进行细分、判向和计数，计数部分包括对干涉条纹的整周期的计数和对条纹不到一个周期的部分进行细分计数，位移测量的结果为计数结果乘以条纹当量(每个条纹所对应的位移量)。因此，实时准确无误的计数是激光干涉测量技术实现高精度位移测量的关键技术。

通过光学干涉条纹计数进行位移测量常规的方法主要有两种。一种是利用硬件电路来进行干涉条纹的细分和计数，其原理为：两路相差π/2的干涉条纹信号(sin信号和cos信号)经过过零触发整形为矩形波，以正弦波整形信号的上跳沿作为计数触发信号，可逆计数器根据该上跳沿所对应的余弦波整形信号的电平来判定被测物体的移动方向。这种计数法实时性好，但容易造成计数错误，特别是当被测物体发生来回细微振荡时，计数电路由于判向电路辨别不出被测物体的正反向移动而使计数器一直处于加数或减数而造成计数错误；另外该方法分辨率也不高，并严格要求相位差为π/2。另外一种方法是利用软件来进行干涉条纹的细分和计数，其原理是：正余弦信号通过运放放大后经数模转换器A/D转换成数字信号，送入微处理器MCU或DSP，利用软件对干涉条纹信号进行细分和计数。该方法实时性差，只能适用于低速、小范围、非实时的位移测量。

发明内容

针对常规条纹计数方法的不足，本发明的目的在于提供一种光学干涉条纹编码计数法，用以克服常规计数方法中实时性差或精度不够等弊端。

本发明采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1)把光学干涉条纹信号通过光电探测器转换成电信号；

2)将来自光电探测器的正弦、以及经反相器处理的反相正弦、余弦和地信号四路分别输入比较器；

3)比较器输出四位二进制变量的编码；

4)根据该四位二进制编码以及该编码的变化顺序来对光学干涉条纹进行计数。

所述的四位二进制变量的编码是cos-0，sin-cos，-sin-cos和sin-0，或以上的任意排列。

该编码计数方法中的3)、4)步骤能够固化在大规模可编程逻辑电路FPGA或CPLD中实现，也能够通过单片机或DSP方法实现。

本发明有益效果是：通过本发明的条纹编码计数法，使测量系统能精确分辩出被测物体的运动方向和位移变化值，包括被测物细微振荡时。位移分辨率可以达到T′/8(T′：条纹当量，也即一个条纹所对应的位移量)的分辨率；正弦和余弦信号之间相位允许偏差，且可以达到接近π/4；通过编码计数法固化在FPGA中使其实时性好。

附图说明

图1本发明涉及的硬件装置示意图。

图2被测物体正向移动时四位二进制变量变化示意图。

图3被测物体细微振动时四位二进制变量变化示意图。

图4正余弦信号相位偏差时波形示意图。

图中：1.外界光学检测设备，2.反相器，3.比较器，4.大规模可编程逻辑器件FPGA，5.光电探测器，6.光电探测器。

具体实施方式

本发明结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，物体通过外界光学检测设备(例如迈克尔逊干涉仪)形成干涉条纹，其位移的变动量对应干涉条纹的移动，并通过本装置两个光电探测器形成正余弦信号反映出来。所涉及到的硬件装置是：外界光学检测设备1输出形成光学干涉条纹信号，两个光电探测器5、6将干涉条纹信号转换成电信号，该电信号分别包括正弦和余弦信号，将光电探测器的电信号正弦信号、以及经反相器2处理的反相正弦信号、余弦信号和地信号四路分别接入比较器3，形成四位比较信号；最后将这四位比较信号输入大规模可编程逻辑器件FPGA4中，应用条纹编码计数法进行处理，检测出干涉条纹移动的整周期数以及不到一个周期的细分数。

所述条纹编码计数法是：将来自光电探测器的正弦(sin)接入反相器形成正弦反相信号(-sin)，再将来自光电探测器的正弦(sin)信号、余弦(cos)信号、正弦反相信号(-sin)以及地(0)信号接入比较器。该比较器内部由四个子比较器组成，分别为比较器0、比较器1、比较器2以及比较器3，分别用来比较输入的两个信号。其中，比较器0对正弦(sin)和地(0)信号进行比较，也即比较器0定义为sin-0；类似的，比较器1定义为：-sin-cos，比较器2定义为：sin-cos，比较器3定义为：cos-0。再定义比较结果大于0输出为‘1’，小于0则输出为‘0’。于是，比较器形成四位二进制变量记为x，即(cos-0，sin-cos，-sin-cos，sin-0)，其中x(0)对应比较器0，x(1)对应比较器1，x(2)对应比较器2，x(3)对应比较器3。需要指出的是，该四位变量也可以通过其他方法形成，如加法器、减法器等。最后将该四位二进制变量输入FPGA中进行计数处理。如图1所示。

当被测物移动时，该四位二进制变量取值以及取值顺序将发生变化。通过FPGA对该四位二进制变量进行计数处理则能够精确检测出被测物的位移变化量以及移动方向。图2是被测物体正向移动时四位二进制变量变化示意图。图2(A)中曲线a，b为正余弦曲线，曲线c为正弦取反(-sin)曲线。图2(B)中如以T/8(T为干涉条纹周期)为采样间隔，则四位二进制变量x取值及变化顺序为：  1001,1101，0101，0111，0110，0010，1010，1000，1001，…；被测物体反向移动时变量x取值及变化顺序同理可得出。x取值及其值变化顺序如表1所示。

	第I区间	第II区间	第III区间	第IV区间	计数电路
						正向	1001→1101	0101→0111	0110→0010	1010→1000	+1
反向	0111→0101	1101→1001	1000→1010	0010→0110	-1

表1 被测物正反向移动时变量x取值及变化顺序

从表中可以发现被测物正向或反向移动时的每个条纹区间内所对应的变量x值的变化是唯一的。也即计数电路(FPGA)根据变量x的取值和其值变化顺序可以判别出正向或反向具体某个条纹区间。如对一个正向区间计数电路加1而一个反向区间减1，则FPGA就能精确分辩出被测物体的位移变化量和运动方向，而且位移分辨率可以达到T’/8(T’：条纹当量，也即一个条纹所对应的位移量)的分辨率。

当被测物体发生细微振荡时对应光电探测器的波形曲线及四位二进制变量x取值如图3所示。图3(A)为物体细微振动时的位移曲线图，图3(B)中曲线a为正弦信号，b为余弦信号，c为正弦取反(-sin)信号，此时一个周期T内变量x取值及其变化顺序(图3(C))为：1001，1101，1101，1001，1000，1010，1010，1000。据此，对照表1可知被测物体的运动方向和条纹的区间分别为：正向第I区间、反向第II区间、反向第III区间、正向第IV区间。设N为振荡前计数值，则计数电路相应计数为N+1-1-1+1＝N，也即在该周期T内计数值不变，这和图3(A)中位移曲线在该周期T内位移为0是一致的。所以即使当被测物体发生细微振荡时，本发明提出的条纹编码计数法也是能够正确计数的。

条纹编码计数法允许正弦和余弦信号之间相位偏差可以达到接近π/4。如图4所示，信号相位偏差只影响变量x取某个值的持续时间，不影响其值本身和变化顺序，也即正余弦信号的相位偏差不会带来计数误差。

Claims (3)

1.一种光学干涉条纹编码计数法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)把光学干涉条纹信号通过光电探测器转换成电信号；

2)将来自光电探测器的正弦、以及经反相器处理的反相正弦、余弦和地信号四路分别输入比较器；

3)比较器输出四位二进制变量的编码；

4)根据该四位二进制编码以及该编码的变化顺序来对光学干涉条纹进行计数。

2.根据权利要求1所述的一种光学干涉条纹编码计数法，其特征在于：所述的四位二进制变量的编码是cos-0，sin-cos，-sin-cos和sin-0，或以上的任意排列。

3.根据权利要求1所述的一种光学干涉条纹编码计数法，其特征在于：该编码计数方法中的3)、4)步骤能够固化在大规模可编程逻辑电路FPGA或CPLD中实现，也能够通过单片机或DSP方法实现。

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