光栅莫尔测量系统的研究与设计

论文摘要

目前,以莫尔条纹技术为基础的光栅位移传感器不仅广泛用于机床和仪器仪表,进行长度和位移测量、控制和伺服跟踪,而且在应变分析、振动测量和三维技术方面展示了广阔的前景。经过近50年的发展,光栅位移传感器的分辨率从5μm提高到了1nm,进入了纳米级水平。随着光栅制造工艺的改进以及微电子技术的发展,使得光栅产品的成本进一步降低,随之出现的电子细分技术,极大地提高了光栅位移传感器的分辨率和精度。但是,传统的细分辨向电路,存在电路元件众多、结构复杂、功耗大的缺点,往往使得系统的稳定性下降。区别于传统的ASIC芯片,本文使用的FPGA是一种可重新配置逻辑门的芯片。它能反复编程、擦除,并在不改变外围电路的情况下,设计不同片内逻辑来实现不同的电路功能。FPGA的高可靠性和灵活性使它非常适合于光栅信号处理设计。利用硬件描述语言可以非常方便的在FPGA内部实现数字滤波、细分辨向电路、可逆计数器及数码显示等功能。这样不仅简化了硬件电路设计,而且也提高了光栅位移测量系统的可靠性。本文在阐述四倍频直接细分原理的基础上,提出了利用专用插值芯片（IC-NV）对前端输出的正交信号进行插值细分的方法,它能通过设置外部引脚来实时地改变细分数。同时,采用SOPC技术和基于NiosII软核处理器的系统设计方案,在FPGA中设计了二次细分辨向组件和测速组件,并将位移结果和速度值显示在128×64LCD上。在软件方面,本文在NiosII IDE环境下开发了位移测量子程序、测速子程序、LCD显示子程序、按键子程序等。仿真和实验表明,该系统实时性好,可靠性高,误差小,能够轻松实现高达64倍的细分,完全能够满足高精度线位移测量的要求。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究的内容
• 2 光栅计量的理论基础
• 2.1 概述
• 2.2 莫尔条纹的形成
• 2.2.1 遮光阴影原理
• 2.2.2 衍射干涉原理
• 2.3 莫尔条纹的特点
• 2.4 莫尔条纹信号的质量指标
• 3 光栅莫尔测量系统的设计
• 3.1 光栅光学系统
• 3.1.1 菲涅耳系统
• 3.1.2 夫琅和费系统
• 3.2 光栅副
• 3.2.1 光栅副间隙
• 3.2.2 零位光栅
• 3.3 光电收发元件
• 3.4 电子细分方案的比较
• 3.4.1 四倍频直接细分
• 3.4.2 移相电阻链细分
• 3.4.3 载波调制细分
• 3.4.4 微机细分
• 4 系统硬件设计
• 4.1 系统硬件的总体框图
• 4.2 光电转换及前置放大设计
• 4.2.1 红外光电收发二极管
• 4.2.2 TLC279CN 的选用
• 4.3 滤波器设计
• 4.4 信号的插值
• 4.5 FPGA 硬件设计
• 4.5.1 FPGA 的内部结构及设计流程
• 4.5.2 FPGA 芯片的配置
• 4.5.3 FPGA 片外存储器扩展
• 4.5.4 其他外围电路
• 4.6 硬件抗干扰设计
• 4.6.1 布局
• 4.6.2 布线设计
• 4.6.3 电源和接地设计
• 5 系统软件设计
• 5.1 FPGA 模块设计
• 5.1.1 NiosII 处理器
• 5.1.2 Avalon 总线
• 5.1.3 自定义组件设计
• 5.2 SOPC 平台的构建
• 5.2.1 SOPC 硬件平台设计
• 5.2.2 基于NiosII IDE 的软件设计
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 误差分析
• 5.3.2 实验验证
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目及得奖情况