基于FPGA的激光衍射测径仪的研究

论文摘要

本文以傅立叶光学空间频谱分析原理为基础,根据衍射理论,阐述了激光衍射测量微细线直径的方法,确定了有限尺寸的单色平行照明光场内细线衍射光强与细线直径之间的关系计算公式。搭建了由光学系统、光电转换设备及信号处理设备组成的夫琅禾费衍射直径测量系统。对比分析了理想细线衍射图样和实际衍射图样之间的差别。分别从圆斑衍射、背景杂散光、CCD器件自身的噪声、硬件电路固有的高频噪声等方面总结了细线衍射图样畸变的主要原因。建立了圆斑衍射的干扰模型,仿真结果与实测的衍射图样基本吻合。通过对混有噪声衍射图样频谱的分析,提出了对衍射图样进行FIR低通滤波处理的方法,根据滤波器技术指标,用MATLAB设计了96阶FIR滤波器,仿真结果表明滤波效果很理想。基于FPGA设计了衍射图样处理的总体方案,通过采用改进的分布式算法实现FIR滤波器,极大的节省FPGA资源,利用FPGA内部各种逻辑资源设计实现了暗条纹的精确提取。本文采用QuartusII自带的嵌入式逻辑分析仪对80μm细金属丝的衍射图样的滤波结果和暗条纹的提取结果进行了实时监测,滤波效果能够满足系统要求。在4MHz的计数频率下,系统相对误差达到0.87%。此外,本文还分析了误差的主要来源,并给出了提高精度的三种方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的意义
• 1.2 线材直径测量的发展现状
• 1.2.1 接触式测量发展现状
• 1.2.2 非接触式测量发展现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 激光衍射测量原理及方案设计
• 2.1 光学衍射测径原理
• 2.1.1 衍射理论及分类
• 2.1.2 衍射法测量细线直径的原理
• 2.2 细线直径测量的方案设计
• 2.2.1 光源的选择
• 2.2.2 扩束准直系统
• 2.2.3 傅里叶透镜
• 2.2.4 CCD 光电转换
• 2.2.5 信号的处理模块
• 2.3 本章小结
• 第3章 细线衍射图样的分析及处理
• 3.1 细线衍射图样的分析
• 3.1.1 理想衍射信号及其频谱
• 3.1.2 实际衍射信号波形及频谱
• 3.1.3 衍射信号噪声分析
• 3.2 细线衍射图样的处理
• 3.2.1 数字滤波器的选择
• 3.2.2 FIR 滤波器的软件设计
• 3.2.3 暗条纹间距的提取
• 3.3 衍射图样处理的FPGA 实现
• 3.3.1 FPGA 及开发工具
• 3.3.2 FPGA 内部总体方案设计
• 3.3.3 FIR 滤波器的硬件实现
• 3.3.4 暗条纹提取算法的硬件实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验验证与误差分析
• 4.1 SignalTap II 简介
• 4.2 不同技术指标下FIR 滤波效果的实验验证
• 4.2.1 延时单元的实验验证
• 4.2.2 通带纹波为3dB、阻带衰减为20dB 下的滤波结果
• 4.2.3 通带纹波为1dB、阻带衰减为40dB 下的滤波结果
• 4.3 暗条纹提取模块的验证
• 4.4 误差分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢