学术论坛
微事热率电
基于FPGA的光栅相位误差补偿原理与系统设计
于昊
(长春理工大学机电工程学院吉林长春130022)
摘要：光栅测量技术是以对光幅形成的莫尔条较计数为基础的高精度测量技术。本文基于光栅传感器信号的特点及信号细分技术提出了相位误差补偿原理，以此为基础，设计了以FPGA为处理核心的光桥相位误差补偿系统，使两露非正交的信号经过相住补偿实现正交，提高光的细分准确度,增强终较测量技术的环境适应性和抗干扰能力。
关键调：光栅测量英尔条效相位补偿中图分类号：TP216
文献标识码：A
文章编号：1007-9416(2011)09-0212-02
光摄莫尔条纹测量技术是一种广泛应用于检测领域的高精度测量。近年来随着超精加工技术的发展，条纹测量技术的发展极为迅速，成为高分辨率测量的重要手段。为进一步提高光概测量的分辨力和细分精度，人们提出了许多条纹细分方法，如正切绳分法、比例幅值法、双阀值法、构造函数法、脉宽调制法等。然面，上述条纹细分方法都要求两路信号必须正交，否则会产生细分误差。单纯依靠
图1募尔条纹细分原理
...........+...
0 Section Usign Ussign
212
方数据
251+a2
301+202
45143022
图2非正交莫尔条纹细分误差
制造、装配和调试来提高光栅测量的精度不仅代价昂贵，而且难度
也越来越大。要解决这些间题，必须采用误差补偿的方法 1、传统莫尔条纹细分方法
当标尺光栅与指示光栅相对平行移动时，在四个空间相位差为 90"的光电元件上依次产生相差90"的电信号、"、,和w。将u",和uz、u,分别两两相减，消除信号中的直流电平，得到两路相位差为90的正弦信号，其绝对值表达式为U,=JU。sind和 U，=U。cos[。波形如图1所示。当两路信号正交时，在一个周期内相交于四点，且四个交点的辐值均为U，。如果以这四个交点和信号过零点为界，一个信号周期可等分为8个区段，每个区段所覆盖的相位为升/4。这是传统细分法对条纹进行准确细分的前提条件。
2、非正交信号相位补偿原理
当两路信号不正交时，信号波形变为U,=U。sin和 U，=U。eos(6+?)，进一步细分将产生误差。如图2所示。与正交时的情况不同，四个交点分裂成两组，幅值分别为U,和U。此时若再以四个交点和信号过零点为界将一个信号周期分成8个区段，则每个区段覆盖的相位将不完全相同，其中1、2、5、6区段覆盖的相位为 a,=arcsin(U,/U。），而3、4、7、8象限覆盖的相位为 α,=arcsin(U,/U），且有a,+a,%/2。两路信号间相位差发生变化时，信号波形交点的位置相应地上升或下降，U和U的值也增大或减小，从而使α,和α,发生变化。光电探测器只能探测条纹的强度变化，不能直接探测条纹的相位变化，要准确地得到相位，首先必须准确地得到幅值U,和U。，即跟踪信号交点。由于交点幅值U,和U。在一个周期内具有一一对应关系，理论上只需测量V或U.便可得到相位差，但为保证误差补偿的精确与及时，可通过U和U分别
进行计算补偿。此时，@=君/2-2xarcsin(U/U。) g 2x aresin(U_ /U,)/2
或
对信号交点的跟踪，首先，对两路信号进行高速同步采样，然后根据表1判断出信号采样点所处的区段，并与缓存下来的相邻前个采样点所处的区段进行比较，如果采样点所处的区段发生了跳变，说明两路信号刚经过交点，此时可将两路采样数据的平均值缓
表1两路条信号的分段判据
-+ + 0>
2 + + >0
3 x
>0
4 +
<0
5 0>
6 >0
7 >0
8 + 0>