基于光栅传感器的高精度数显位移测量装置的设计与实现

作     者：方光辉 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲍丙豪

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：光栅传感器 莫尔条纹 细分技术 FPGA 位移测量 

摘      要：在机械加工制造、精密仪器设备、航空航天工程等领域,对位移测量精度的要求越来越高,传统的测量方法已无法满足需求。光栅位移测量技术具有高精度、高灵敏性、快速测量、行程大等优势,但是高精度光栅传感器价格非常昂贵,并且光栅测量系统很难同时达到高分辨率、高精度和高可靠性等要求。故本文设计了一套低成本、高精度的光栅数显位移测量装置,主要研究内容如下:(1)确定了光栅信号正余弦结合幅值分割法,将高倍测量装置分为粗细分和精细分两个部分。在粗细分方面,将整周期分信号为8个区间,通过判断各个区间的绝对值大小和极性,从而实现八倍粗细分;在精细分方面,采用了正余切函数构造的方法来提高信号的线性度,再通过幅值分割法实现256倍精细分;(2)对原始光栅传感器的信号进行采集并分析,通过FIR数字滤波对信号做滤波处理;在MATLAB中对光栅构造信号的稳定性、等幅性、正交性和正弦性等指标进行数学仿真分析,计算出幅值采样细分倍数N与技术指标对应约束条件,为后续软硬件的设计提供依据。(3)完成了光栅位移装置的软硬件设计。根据光栅位移测量系统的特点、光栅信号误差分析结果及高倍细分算法的确定,给出了高精度光栅数显位移测量装置的设计方案,主要分为硬件和软件两部分的设计;硬件设计包括光栅前置处理电路模块、函数信号构造电路模块和FPGA+ARM控制电路设计三个模块,并对硬件各模块进行了实验调试,给出了各部分处理后的信号波形;软件设计包括FPGA软件设计和MCU软件设计两个模块,并对软件各模块进行了仿真调试。(4)搭建了行程为0～25mm的光栅位移测量装置。采用XL-80雷尼绍激光干涉仪对本装置进行对比实验,测得三组正反向数据,并针对分辨率、线性度、测量精度等指标对光栅位移测量装置进行分析;本装置总细分倍数为2048倍,测量分辨率由20μm提升到0.01μm,测量误差为±0.98μm。本文给出了光栅位移测量装置软硬件设计的详细方案,搭建了实物装置并进行了相关对比实验。实验证明设计的光栅位移测量装置具有一定的应用价值和推广意义。未来的研究可以进一步优化硬件和软件设计,实现更高精度和更广泛的应用。