论文部分内容阅读
纳米位移测量技术在精密位移测量领域占有重要地位，是解决未来许多高分辨力、高精度的先决条件之一。其中，光栅位移测量具有可靠性好、精度高等诸多优点，研制具有大量程、高精度、低成本等性能的实用型纳米级光栅位移测量系统在位移测量领域具有重要研究意义。光栅位移测量系统是以莫尔条纹理论为基础，提高莫尔条纹细分精度在光栅位移测量系统中占有重要地位，其细分精度主要由分辨力和算法误差共同决定的。为了获得更高分辨力的莫尔条纹信号，本文利用CMOS对莫尔条纹信号进行采集，其分辨力主要受像素尺寸限制，像素尺寸越小，一个条纹周期内所包含的像素数越多，分辨力就越高。算法可以从两个方面考虑，即幅值和相位两方面。针对CMOS输出莫尔条纹信号具有较好周期性的特点，若通过测量某一点幅值变化量来获得莫尔条纹相对位移量，不利于数据处理的误差平均，所以本文从相位出发，通过求取相邻两次莫尔条纹相位差来获得光栅相对位移量。相位测量算法采用校正MPFFT算法，与传统FFT相比，一定程度上抑制了频谱泄漏，减少频偏所带来的相位测量误差，提高相位差测量精度。设计选择像素尺寸为4μm的DLIS2K型号线阵CMOS传感器，DLIS2K所需的驱动和配置信号全部由FPGA产生，并在FPGA器件上实现了校正MPFFT算法，通过了Quartus II综合仿真，与MATLAB计算结果基本一致。当取栅距为20μm、两光栅夹角约为0.56°时，可实现条纹周期512细分，对应位移分辨力约为0.04μm。在不同频偏、不同相位情况下，校正MPFFT算法的最大相位差测量误差小于0.3°，对应光栅位移测量误差小于15nm，此算法共延迟3267个时钟周期即可输出相位值，当选择FPGA时钟频率为100MHz时，实现位移测量所需时间约为33μs。在保证纳米级测量精度要求前提下，提高了系统的跟踪速度，在光栅位移测量领域具有重要研究意义。