光柵測長儀動態(tài)誤差測量實驗研究_圖文

1、合肥工業(yè)大學碩士學位論文光柵測長儀動態(tài)誤差測量實驗研究姓名:劉春山申請學位級別:碩士專業(yè):精密儀器及機械指導教師:陳曉懷20050601 第二章光柵測長儀系統(tǒng)的測量原理及誤差分析2.1光柵式測量的基本原理自本世紀五十年代初光柵技術(shù)引入長度計量領(lǐng)域以來,由于光柵式測量系統(tǒng)具有的許多優(yōu)點,所以目前在線值測量、角分量測量、位移量同步比較測量以及機床數(shù)控等各個方面得到了廣泛的應(yīng)用,具有很高的實用價值。計量光柵技術(shù)的發(fā)展,促進了長度計量領(lǐng)域內(nèi)數(shù)字顯示、自動測量、動態(tài)測試及微機控制等技術(shù)的發(fā)展。光柵按工作原理可分為物理光柵和計量光柵,前者主要用于光譜儀器,作色散元件,后者則主要用于精密測量和精密機械的自動

2、控制等。因為本文研究的光柵測長儀屬于長光柵,所以這里只介紹計量光柵中的長光柵。 圖2-2莫爾條紋形成原理圖2-1黑白長光柵尺長光柵的基本工作原理是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行位移測量的”,圖2-1所示為一塊黑自型長光柵尺。光柵上的刻線成為柵線,柵線的寬度為a,縫隙寬度為b,一般都取a=b,而8+b=W,W稱為光柵的柵距<或光柵的節(jié)距,把兩塊黑自型長光柵尺刻線面相面對迭合,并使兩塊光柵尺的柵線形成很小的夾角o,這時,在近于與柵線垂直的方向上就出現(xiàn)明暗相間的條紋,如圖22所示。這種條紋被稱為莫爾條紋。當這兩塊刻線面相對迭合的長光柵沿垂直于柵線方向作相對運動時,莫爾條紋便沿著與柵線方向近似相同的

3、方向相應(yīng)地移動。兩塊光柵尺相對移動過一個柵距,莫爾條紋移動過一個條紋間距。顯然在兩塊光柵的背面設(shè)置一個光欄,并用光電元件接收透過兩塊光柵的光能量,則光電元件的輸出信號將隨著兩塊光柵尺處于不同的相對位置而有強弱的變化。并且,光電元件輸出信號的周期數(shù)必將與兩塊光柵尺相對移過的柵距數(shù)相同步。即兩塊光柵尺相對移過一個柵距w,莫爾條紋移過一個間距,光電元件輸出的電壓信號u變化一個周期2。如圖2-3所示。 1光柵尺2控制板3滑塊4剛帶5光概信號輸出線6光柵數(shù)顯表7導軌8電視驅(qū)動系統(tǒng)9基座lO工作臺圖25光柵測長儀結(jié)構(gòu)圖如圖26所示,從光源(發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到標尺光柵上,當標尺光柵與指示光柵相對平行移

4、動時,在四個光電元件上產(chǎn)生彼此相差90。的四路信號,指示光柵圖2-6光柵測長儀原理圖光柵輸出的這四路相位以此相差906的信號,可表示為驢Uo+吣in等驢+n(等+爭乩+%c?？跨PUo+吣in蟹圳地_Um sin(等(2-4 (25 (25 如上一章所述,測長儀光柵傳感器輸出A.B兩路相位相差n/2的正弦信號,如圖3-4所示,即為本實驗用的光柵測長儀輸出的A,B信號,此信號是用示波器獲取的。 圖3-4光柵測長儀輸出的AB正弦信號正弦波轉(zhuǎn)換為方波的途徑也有許多種,例如可以利用EXE.051/101光柵插補器進行轉(zhuǎn)換。EXE一051/10l光柵插補器是用于對光柵傳感器輸出的兩路相差90。IF弦波信號

5、進行數(shù)字化細分處理。該光柵插補器對輸入的正弦波信號進行5細分或lO細分后輸出兩路正交方波信號,送計算機或NC系統(tǒng)進行運算和處理操作。其轉(zhuǎn)換原理圖如圖3.5所示。輸出信號拉座廠葡褫廠面7T1賈11一r1r缸I窿鬻睦圖3-5光柵插補器波形轉(zhuǎn)換原理光柵插補器是專門進行光柵波形轉(zhuǎn)換一個儀器,但是從經(jīng)濟和方便角度考慮,本文利用自行設(shè)計了一套波形轉(zhuǎn)換裝置,利用運算放大器的信號轉(zhuǎn)換功能將光柵輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波脈沖信號。圖3-6為運算放大器的管腳結(jié)構(gòu)定義及原理圖。10UT 1jN一1IN+ VCC 2IN+ 2IN一20UT ToP VIEW40UT4IN一4lN+GND3lN+3lN一30UTlMlN

6、+圖3-6運算放大器管腳定義及原理將光柵輸出的A信號及地信號接入pin3,pin2將B信號及地信號接入pin5,pin6,則經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換后,從pinl和pin7輸出方波脈沖信號如圖3.7所示:圖37正弦波信號轉(zhuǎn)換后豹方波信號正弦波信號AB經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換后輸出兩路方波信號,這兩路方波信號仍然具有90。的相位差,故稱這兩路方波信號為A,quad.B方波脈沖信號。有了這兩路方波信號,又如何連接到激光干涉儀實現(xiàn)同步測量,圖3.8為10887A 激光卡(安裝在計算機上,中間的接口為A-quad.B脈沖連接器(其電路如圖3-9,可輸入A.quad,B脈沖信號。這樣光柵的測量數(shù)據(jù)和激光干涉儀的測量數(shù)

7、 據(jù)就可通過計算機進行處理并顯示。 圖3-810887A激光卡脈沖連接器圖3-9A-quad.B輸入電路圈3.2。4動態(tài)誤差測量軟件包介紹及參數(shù)設(shè)置文獻231詳細地描述了軟件的技術(shù)發(fā)展。在開始這個測試之前,用戶應(yīng)該通過激光干涉儀軟件包首先設(shè)定編碼器分辨率、誤差單位等參數(shù)如圖3.10所示,確認后設(shè)置測薰參數(shù):a起始位置;b終止位置;c間隔距離:d每個方向的目標位置數(shù);e周期數(shù);f運行模式,參數(shù)a.d定義了目標項目,圖3一】l顯示了該軟件包重要參數(shù)的設(shè)置界面。 圖3.10軟件包參數(shù)設(shè)置界面1 囤3-1l軟件包參數(shù)設(shè)置界面2兩個目標位置之問必須有統(tǒng)一的間距,否則激光卡將不能正常工作。不過與此相關(guān)的是

8、來闡明選擇目標的問題。評定位置誤差的測試是根據(jù)IS0230.21291標準的要求進行的。此標準推薦的目標位置應(yīng)該是隨意的,兩目標位置之間的距離是任意非統(tǒng)一的。這樣做的目的是為了確保周期誤差能充分提取。然而,即使目標位置是隨意的,不可能所有相對周期誤差能得以確認。所以選擇恰當?shù)哪繕碎g隔增量是必要的,參考【22】對這個問題做了詳細的研究。不過,選用恰當間隔等間距的目標位置,測試時能取得周期誤差,從這個意義上講,在這項研究工作中,取lmm間隔的目標位置來進行測試,對獲取相對周期誤差是足夠了。起始位置和終止位置分別作為測試時導軌上的第一個目標位置點和最后一個目標位置點。為簡便起見,起始位置的值通常情況

9、下設(shè)為零。目標位置點之間的間隔是一個恒定值。所有這些參數(shù)必須遵循下面這個公式:目標數(shù)量/每個方向=壁墮竺善三掣+1(3.11日J正E目標位置的間距必須是譯碼器分辨率的確切倍數(shù),此目的是為了產(chǎn)生脈沖數(shù)的整數(shù)倍。譯碼器的脈沖數(shù)表示如下:坳=麗籌鬻(3-2一譯碼器分辨率(mml 最后,通過鍵盤輸入氣溫,氣壓和空氣相對濕度以及測量機的溫度給控制軟件,以補償空氣中激光波長和材料熱膨脹之間差異。眾所周知,激光源的波長通常被定義為真空中的波長v。在真空中此值是一個常數(shù),但是在空氣中,波長會受到大氣折射率的影響。由于大部分激光干涉儀系統(tǒng)是直接暴露在空氣中的,所以校正x v和空氣中波長a是非常必要的。這稱作為空

10、氣補償或波長補償?？諝獾恼凵渎?3表示如下:H:竺(3-3Act11的值是一個氣溫,氣壓,相對濕度和空氣成份的函數(shù)。折射率在軟件中用Edlen公式計算f30】。此公式提供的n值作為氣溫,相對濕度和氣壓的函數(shù)。通過測量空氣條件(溫度,氣壓和空氣的相對濕度,用Edlen公式計算的折射率具有大約0.1ppm的誤差。至此,就可以把HP5529A雙頻激光干涉儀按圖3.3實驗裝置原理圖的要求按裝在光柵測長儀上,將光柵編碼器輸出的正弦信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后接入A-quadB輸入激光卡,這樣就實現(xiàn)了整個光柵信號線路連接及整體架構(gòu)的實現(xiàn),其實物圖如圖3.12所示。 圖312光柵測長儀動態(tài)誤差測量實驗裝置實物圖此時選擇

11、和設(shè)置適當?shù)能浖?shù),就可以利用該裝置對光柵測長儀的位置誤差進行動態(tài)測量,利用該程序?qū)⒐鈻艤y長儀的數(shù)據(jù)和激光干涉儀的數(shù)據(jù)同步顯示并對比,對比的結(jié)果及光柵測長儀的動態(tài)誤差,在下方同步繪制出來,如圖3.13所示。 圖3.13光柵測長儀動態(tài)測量數(shù)據(jù)及誤差如前面所述,我們將光柵信號引出,用光柵系統(tǒng)譯碼器產(chǎn)生的aquadb脈沖信號來觸發(fā)雙頻激光干涉儀讀數(shù),讓光柵測長儀移動,即可同步得到光柵和激光干涉儀對同一位置的讀數(shù),二者之差即為光柵測長儀的實時動態(tài)誤差。利用激光干涉儀軟件動態(tài)顯示及鎖存光柵和激光的讀數(shù)及其二著之差,同時該軟件繪制的光柵位置動態(tài)誤差曲線圖。3.3光柵測長儀動態(tài)誤差實驗結(jié)果3。3.1參數(shù)設(shè)

12、定及誤差曲線圖的繪出 換結(jié)果如圖2.3所示。由圖4.3可看出,原信號中含有兩個周期誤差分量,頻率分別為10Hz和50Hz,另外還存在噪聲信號。可見傅立葉頻譜分析方法在頻域上的分析效果非常好,但是它不能同時提供時域上的信息。-j L /。k 0102030Io 7。90'圖4-3信號的傅立葉分析結(jié)果2小波分析方法進行誤差分解與溯源利用Matlab工具箱Daubechies小波系中的db3函數(shù),對上述誤差信號進行多尺度分解,圖4-4為4層多分辨分解結(jié)果。 圖4.4小波多分辨分析結(jié)采第一層分解,從原始信號中分解出了噪聲分量dl,在最后一層的分解結(jié)果中,得到了低頻分量ft.4,其頻率為10Hz,均值為2,幅值約為1,并且滯后了l/4周期,說明原誤差信號中存在不變系統(tǒng)誤差2和正弦周期誤差sin(20n t+n /2。從a2和d4的放大圖可以看出,其周期之比為5:1,則d4的頻率為50Hz,o拈:¨,帖o§ 圖4.7光柵動態(tài)誤差傅立奸燮換 圖4-8傅立葉變換后放大圖37如此,確定性動態(tài)誤差分量的函數(shù)表達式5-9修改為;O.21-I-7.4sin(O.035t-74。(t單位ram(5-10通過此表達式就可以對綜合動態(tài)