相位基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究開題報(bào)告

1、.填 寫 說 明一本表為研究生進(jìn)入課題研究和學(xué)位論文工作時(shí)在導(dǎo)師指導(dǎo)下所做的課題研究報(bào)告，為保證碩士研究生有一年以上的時(shí)間用于課題研究，博士研究生有二年以上的時(shí)間用于課題研究，碩博連讀研究生有不少于二年半的時(shí)間用于課題研究，研究生應(yīng)按時(shí)開題，并填寫開題報(bào)告。二指導(dǎo)教師和所在系所要認(rèn)真審查研究生選題是否準(zhǔn)確、適當(dāng)（即課題有無理論意義和經(jīng)濟(jì)意義，作為攻讀學(xué)位的研究生研究課題是否適宜，在課題的難度和份量上是否恰當(dāng)，能否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成等），實(shí)驗(yàn)方案是否合理、可行，并對(duì)所選題給予恰當(dāng)評(píng)價(jià)。指導(dǎo)教師意見中還可以對(duì)研究生的開題報(bào)告作某些補(bǔ)充和說明。三填寫本表前系所應(yīng)組織研究生就選題情況進(jìn)行公開答辯，提出

2、修改意見。研究生修改定稿后填寫本表。經(jīng)導(dǎo)師、系、學(xué)院簽署審核意見后復(fù)印二份，在第三學(xué)期結(jié)束前（碩士研究生、博士生）、第四學(xué)期結(jié)束前（碩博連讀生）送學(xué)院研究生秘書匯總，二份留學(xué)院，原稿由學(xué)院研究生秘書送研究生培養(yǎng)科存檔。四博士生、碩博連讀研究生需要填寫研究生學(xué)位論文開題報(bào)告簡表，開題報(bào)告的公開答辯的成績由學(xué)院登錄。五本表經(jīng)批準(zhǔn)后必須嚴(yán)格執(zhí)行。如因特殊原因必須修改計(jì)劃時(shí)，須書面申請(qǐng)，并經(jīng)導(dǎo)師、系、學(xué)院同意后方可修改計(jì)劃。六如果論文選題有重大變動(dòng)，必須另行開題。研究生學(xué)位論文開題報(bào)告簡表錄取類別（ ） 免試 （ ）應(yīng)屆生 （ ） 其他學(xué)習(xí)類別（ ） 在職學(xué)習(xí)（ ） 脫產(chǎn)學(xué)習(xí)入學(xué)時(shí)間2010年9月預(yù)計(jì)

3、畢業(yè)時(shí)間2012年5月指導(dǎo)教師第一導(dǎo)師姓名、職稱第二導(dǎo)師姓名、職稱論文題目：基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究依托的項(xiàng)目（課題）名稱項(xiàng)目（課題）編號(hào)、來源項(xiàng)目（課題）的起始時(shí)間導(dǎo)師在項(xiàng)目（課題）中作用項(xiàng)目（1）（ ）主持人（ ）參加項(xiàng)目（2）（ ）主持人（ ）參加自擬項(xiàng)目（ ）主持人（ ）參加預(yù)計(jì)研究的創(chuàng)新點(diǎn)光源驅(qū)動(dòng)方式：對(duì)LED光源的光強(qiáng)信號(hào)作正余弦規(guī)律變化，以此作為電路的調(diào)制信號(hào)信號(hào)處理方式：對(duì)正余弦兩路相位調(diào)制信號(hào)進(jìn)行位移信號(hào)的解調(diào)其他需要說明的事注：選題的依托項(xiàng)目（課題）的起始時(shí)間應(yīng)與博士論文工作必須有一年以上重合期。本簡表為博士生（含碩博）研究生學(xué)位授予時(shí)審核的依據(jù)。碩士

4、研究生不填寫該頁簡表。一 學(xué)位論文題目：基于相位調(diào)制的光柵精密位移測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究二所選課題的來源、目的、意義及該課題在國內(nèi)外的概況：目的：將LED光源按照正、余弦變化的光通量，作為調(diào)制信號(hào)；光柵每柵格輸出的脈沖信號(hào)作為載波信號(hào)，對(duì)光源模塊和光柵尺的相對(duì)位移量進(jìn)行相位調(diào)制；再通過軟件方法實(shí)現(xiàn)解調(diào)，在對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行修正和補(bǔ)償后，最終實(shí)現(xiàn)位移量的高精度測量。意義：隨著現(xiàn)代加工和計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)長度和位移量的測量精度要求不斷提高，同時(shí)也要求測量結(jié)果能夠方便地輸出和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光柵測量技術(shù)由于具有很高的測量精度，并且能夠和電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)測量的高速化、自動(dòng)化而被作為精密計(jì)量元件

5、廣泛應(yīng)用于儀器儀表及機(jī)床等方面。本課題對(duì)信號(hào)的處理方法不同于傳統(tǒng)光柵測位移基于光柵柵距變化的直接測量，而是采用相位調(diào)制的方法，將位移信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成信號(hào)的相位差，既保留了光柵側(cè)位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡便、處理速度快、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，而且由于現(xiàn)階段晶振的時(shí)鐘基準(zhǔn)已經(jīng)十分穩(wěn)定，所以若將相位差作為位移變化的協(xié)變量，則很容易實(shí)現(xiàn)高精度的測量，因此在很大程度上提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，降低了環(huán)境中各種噪聲對(duì)信號(hào)的影響。國內(nèi)外概況：隨著近代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，利用光學(xué)進(jìn)行精密測試是測試技術(shù)領(lǐng)域中的主要方法之一。在近代對(duì)測試技術(shù)要求更高的靈敏度和精度，傳統(tǒng)的普通光學(xué)方法已經(jīng)不能適應(yīng)，為此，七十年代以來國內(nèi)外主要發(fā)展以

6、激光為中心的精密測試技術(shù)，特別是激光與計(jì)算機(jī)結(jié)合的近代光學(xué)測試技術(shù)。如今，國內(nèi)外都已經(jīng)有了較為成熟的基于光柵的激光測量產(chǎn)品，如德國海德漢公司生產(chǎn)的HEIDENHAINSPECTO高精度光柵式長度計(jì)、德國馬爾公司生產(chǎn)的Millimar P15-15系列光柵測頭以及我國標(biāo)普納米測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LGl0系列超級(jí)千分表，其中大部分都是以光柵柵距作為基本單位的測量方法，而以相位變化為原理的測量系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，大部分也都是用于表面形貌測量，如2004年Xu Yande提出的用一個(gè)雙光柵正弦相位調(diào)制干涉儀來測量物體階梯表面的高度差。因此本課題將相移對(duì)應(yīng)位移的原理應(yīng)用于位移測量中具有創(chuàng)新點(diǎn)，也為突破

7、獲得更高的測量精度創(chuàng)造了一條途徑。-1-三課題研究的主要內(nèi)容及擬解決的問題和預(yù)期效果：主要內(nèi)容：系統(tǒng)的框圖如圖1所示，LED經(jīng)過其驅(qū)動(dòng)電路分別發(fā)出正、余弦變化的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡等光學(xué)元件的處理，投射過指示光柵與光柵尺，形成莫爾條紋，讀數(shù)頭在莫爾條紋不同相位處接受含有相位差的光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路，將信號(hào)調(diào)制成包含位移量的相位信號(hào)。LED驅(qū)動(dòng)電路LED光源準(zhǔn)直透鏡信號(hào)處理電路讀數(shù)頭光柵尺Labview軟件處理信號(hào)圖1 系統(tǒng)框圖擬解決問題：1. LED光通量調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；2. 調(diào)制信號(hào)檢測及處理電路設(shè)計(jì)；3. 通過模擬光柵信號(hào)發(fā)生裝置對(duì)調(diào)制信號(hào)檢測及處理電路的測試與驗(yàn)證；4.

8、 基于Labview的軟件解調(diào)信號(hào)方法及信號(hào)處理。預(yù)期效果：1. 構(gòu)建相位調(diào)制光柵精密位移測量系統(tǒng)；2. 各模塊正常工作；3. 最后的信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的準(zhǔn)確測量；4. 系統(tǒng)達(dá)到結(jié)構(gòu)簡便、測量快速、精度高的要求。-2-四實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及所需要的主要設(shè)備、儀器、材料（名稱、規(guī)格型號(hào)）及其數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)大綱另訂）。設(shè)計(jì)方案：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括LED及其驅(qū)動(dòng)電路、讀數(shù)頭模塊、信號(hào)解調(diào)處理模塊，另外在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還需設(shè)計(jì)一個(gè)模擬光柵信號(hào)的發(fā)生裝置，以確保讀數(shù)頭中的信號(hào)處理電路在高頻信號(hào)下可以正常工作。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖首先對(duì)各個(gè)模塊逐步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證：1. LED光通量調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路：選用高品質(zhì)可調(diào)光強(qiáng)

9、的LED燈，設(shè)計(jì)功率 可調(diào)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。2. 讀數(shù)頭模塊：主要包括光電傳感器與信號(hào)處理電路兩部分。光電傳感器選用適于高頻轉(zhuǎn)換的低噪聲光電二極管，擬用四路檢測，將四路傳感器分別置于光柵莫爾條紋的每1/4周期處，可以檢測出四路相位分別相差90°的正余弦信號(hào)；信號(hào)處理電路將四路信號(hào)分為相位差為180°的兩組，通過差分放大電路去除了信號(hào)中的共模噪聲，并使信號(hào)中不包含系統(tǒng)由環(huán)境引起的干擾，每組信號(hào)分別引入一個(gè)與信號(hào)本身直流分量大小相同的直流信號(hào)，通過減法放大電路去除信號(hào)的直流分量，最后再經(jīng)過放大濾波后達(dá)到幅值較為適中、干擾較低的信號(hào)。3. 模擬光柵信號(hào)發(fā)生裝置：為了檢測電路在

10、接收高頻信號(hào)時(shí)能否準(zhǔn)確對(duì)信號(hào)處理，用一個(gè)高頻變化的光源來檢測電路的性能，此發(fā)生裝置原理是用兩個(gè)直流電機(jī)分別帶動(dòng)一個(gè)圓碼盤，處于平行相對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，每秒鐘光源變化的頻率與光柵相近，光源從兩個(gè)碼盤的一邊投射到另一邊，給光電二極管接受，再將信號(hào)送入電路中處理，利用示波器觀察信號(hào)的失真情況以判斷電路處理信號(hào)的性能，以便對(duì)電路做出相應(yīng)調(diào)整。4. 信號(hào)解調(diào)處理模塊：基于Labview軟件，對(duì)得到的相位調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，擬用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的辯向與細(xì)分，通過得到的U0反求出精度較高的位移x。每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)完畢后，對(duì)整體的系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造，主要是結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)達(dá)到結(jié)構(gòu)簡便、測量快速的要求。系統(tǒng)搭建完畢后，進(jìn)

11、行實(shí)際測試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析與修正，最后使系統(tǒng)的精度達(dá)到最佳。主要設(shè)備、儀器：1. 光柵尺和指示光柵；2. LED和LED光通量驅(qū)動(dòng)電路；3. 準(zhǔn)直透鏡組；4. 讀數(shù)頭（光電傳感器和信號(hào)處理電路）；5. 信號(hào)解調(diào)處理系統(tǒng)（Labview軟件）；6. 高精度工作臺(tái)。材料： 1. 電路材料：高速運(yùn)算放大器、貼片電容、貼片電感、貼片電阻、滑動(dòng)變阻器、電源轉(zhuǎn)換芯片若干；2. 光路材料：準(zhǔn)直透鏡組若干；3. 機(jī)械材料：光柵模擬信號(hào)發(fā)生裝置支架、LED支架、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。-3-五關(guān)鍵問題，現(xiàn)有條件及解決辦法：關(guān)鍵問題：1. LED正、余弦變化光通量信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路；2. 信號(hào)的相位調(diào)制及解調(diào)?，F(xiàn)有條件：1.

12、LED光源、電源驅(qū)動(dòng)模塊；2. 信號(hào)調(diào)制電路、Labview軟件解調(diào)分析。解決方法：1. 對(duì)于LED光源光通量的控制，可以利用電流變化來驅(qū)動(dòng)LED光通量的變化，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)功率可調(diào)的電源模塊來給LED供電，選擇LED光通量隨電流變化的近線性區(qū)域段，對(duì)LED供給呈正、余弦規(guī)律變化的電流，以實(shí)現(xiàn)光通量的正、余弦變化。2. 信號(hào)調(diào)制電路的原理：在兩光路中，每光路有四個(gè)光電探測器分布于莫爾條紋的每1/4周期處，分別讀出+sin、+cos，-sin、-cos四路相位依次相差90°的信號(hào)，分為+sin和-sin、+cos和-cos兩組相位分別相差180°的信號(hào)，通過運(yùn)算放大器的差分

13、放大電路，便可將信號(hào)中的共模干擾以及環(huán)境導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差去除，得到兩路相差90°的正弦和余弦信號(hào)；正、余弦信號(hào)再經(jīng)過放大濾波等電路的處理，便可得到兩組低噪聲、幅值適中的正弦與余弦信號(hào)。此時(shí)，讀數(shù)頭的位移體現(xiàn)在正余弦信號(hào)的相移上，通過乘法器將信號(hào)相乘，得到KeUmsintcos(x/W)和KeUmcostsin(x/W)，再將這兩路信號(hào)相加，便可得到一個(gè)和位移x成正比的相移變化信號(hào)U0=KeUmsin(wt+x/W)，其中W是光柵的柵距。解調(diào)的過程是接受數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨向細(xì)分，通過公式用已知的U0反求位移值x。-4-六進(jìn)度安排及完成畢業(yè)論文日期：已完成進(jìn)度：模擬光柵信號(hào)發(fā)生裝置設(shè)計(jì) 讀數(shù)頭信號(hào)的相位調(diào)制與處理電路設(shè)計(jì)進(jìn)度安排：預(yù)計(jì)2012年6月到7月，利用模擬光柵信號(hào)發(fā)生裝置對(duì)