纳米测量中的光栅信号细分技术

　　自动化测量和加工技术的发展对高精度的位移测量提出越来越高的要求,光栅系统精度高,范围大,性能稳定,维护简单,广泛应用于高精度测量领域。传统光栅信号频率低,品质好,处理手段较成熟,而对纳米级位移测量,光栅信号频率高,易受干扰,对信号的采集、处理提出更高要求。传统光栅位移测量系统通常直接对信号进行边沿计数和辨向[1]。而对于纳米级精度的测量,需要对信号进行整形[2],为了进一步提高精度和分辨率,需要进行细分,常用方法有振幅细分[3]、锁相细分和相位细分[2][4]。相位细分的算法原理和调整电路都很简单,信号参数的确定可以使用最小二乘拟合[4][5]。

　　1　编程工具简介

　　本研究采用图形化语言LabVIEW,该语言集成了大量数据采集函数,与数据采集卡接口非常方便,并有多种现成显示控件; LabVIEW数学处理功能强大,可以便捷地进行曲线拟合、最优化分析、矩阵计算等复杂运算。该语言特别适合大数据量采集和分析。

　　2　计数及辨向原理

　　对两路正交弦波信号的过零点进行计数,可以对信号周期进行四细分。平台在正向和反向运动时,信号的超前与滞后关系正好相反,如图1。

　　可由此进行方向判断:当平台在正电压驱动下向前运动,信号1从正到负过零时,信号2为正;信号1从负到正过零时,信号2为负;信号2从正到负过零时,信号1为负;信号2从负到正过零时,信号1为正。

　　在此过程中,可能导致错误计数的现象有:往复运动,如突然启动和突然停止时的抖动,如图2(a),信号过零点附近的干扰可能导致错误计数,如图2 (b)。利用上述方向判断对正确和错误的计数分别进行+1和-1运算可以进行错误的删除。

　　3　细分原理

　　信号开始和结束部分中不满1/4周期的信号须进行细分运算,文献[3]采用了振幅细分法,但这种方法只适用于振幅变化不大的信号。本研究采用相位细分法:设两路信号分别为正弦和余弦,相除得到正切,求解反正切函数可计算相位,进行精确的细分运算。机械结构的安装、导向误差的对LDGI两路信号的影响是同步的,实验发现,信号振幅的跳动总是同方向同幅度,在求正切的相除运算过程中,这种跳动的影响可以排除。

　　4　信号处理

　　LDGI信号存在的信号变形有:直流漂移、信号正交误差以及随机噪声,如图3。

　　4·1　直流归零

　　直流漂移会带来计数错误和显著的细分误差。文献[4]用最小二乘原理拟合信号是基于整段信号直流为常数的假设,而本研究的实际信号存在显著直流漂移,处理方法是:将信号分成若干小段,计算各段的直流分量。再将各段的直流值进行样条函数拟合,得出整段信号的直流曲线,再从原始信号中剔除直流分量即可。整形前后的信号如图4所示。