[发明专利]光学干涉条纹编码计数法

说明书

技术领域

本发明涉及激光干涉测量技术，特别是涉及一种光学干涉条纹编码计数法。

背景技术

激光干涉测量技术是一种实现高精度、大量程和高分辨率位移测量的重要手段之一，在精密仪器、高精度精密加工、数控机床等精密工程领域中得到了广泛的应用。光学干涉条纹信号处理技术是激光干涉测量技术的重要组成部分，一般将干涉条纹通过一定方法分为两路位相相差π/2的信号，经光电探测器接收后进行细分、判向和计数，计数部分包括对干涉条纹的整周期的计数和对条纹不到一个周期的部分进行细分计数，位移测量的结果为计数结果乘以条纹当量(每个条纹所对应的位移量)。因此，实时准确无误的计数是激光干涉测量技术实现高精度位移测量的关键技术。

通过光学干涉条纹计数进行位移测量常规的方法主要有两种。一种是利用硬件电路来进行干涉条纹的细分和计数，其原理为：两路相差π/2的干涉条纹信号(sin信号和cos信号)经过过零触发整形为矩形波，以正弦波整形信号的上跳沿作为计数触发信号，可逆计数器根据该上跳沿所对应的余弦波整形信号的电平来判定被测物体的移动方向。这种计数法实时性好，但容易造成计数错误，特别是当被测物体发生来回细微振荡时，计数电路由于判向电路辨别不出被测物体的正反向移动而使计数器一直处于加数或减数而造成计数错误；另外该方法分辨率也不高，并严格要求相位差为π/2。另外一种方法是利用软件来进行干涉条纹的细分和计数，其原理是：正余弦信号通过运放放大后经数模转换器A/D转换成数字信号，送入微处理器MCU或DSP，利用软件对干涉条纹信号进行细分和计数。该方法实时性差，只能适用于低速、小范围、非实时的位移测量。

发明内容

针对常规条纹计数方法的不足，本发明的目的在于提供一种光学干涉条纹编码计数法，用以克服常规计数方法中实时性差或精度不够等弊端。

本发明采用的技术方案是，该方法的步骤如下：

1)把光学干涉条纹信号通过光电探测器转换成电信号；

2)将来自光电探测器的正弦、以及经反相器处理的反相正弦、余弦和地信号四路分别输入比较器；

3)比较器输出四位二进制变量的编码；

4)根据该四位二进制编码以及该编码的变化顺序来对光学干涉条纹进行计数。

所述的四位二进制变量的编码是cos-0，sin-cos，-sin-cos和sin-0，或以上的任意排列。

该编码计数方法中的3)、4)步骤能够固化在大规模可编程逻辑电路FPGA或CPLD中实现，也能够通过单片机或DSP方法实现。

本发明有益效果是：通过本发明的条纹编码计数法，使测量系统能精确分辩出被测物体的运动方向和位移变化值，包括被测物细微振荡时。位移分辨率可以达到T′/8(T′：条纹当量，也即一个条纹所对应的位移量)的分辨率；正弦和余弦信号之间相位允许偏差，且可以达到接近π/4；通过编码计数法固化在FPGA中使其实时性好。

附图说明

图1本发明涉及的硬件装置示意图。

图2被测物体正向移动时四位二进制变量变化示意图。

图3被测物体细微振动时四位二进制变量变化示意图。

图4正余弦信号相位偏差时波形示意图。

图中：1.外界光学检测设备，2.反相器，3.比较器，4.大规模可编程逻辑器件FPGA，5.光电探测器，6.光电探测器。

具体实施方式

本发明结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，物体通过外界光学检测设备(例如迈克尔逊干涉仪)形成干涉条纹，其位移的变动量对应干涉条纹的移动，并通过本装置两个光电探测器形成正余弦信号反映出来。所涉及到的硬件装置是：外界光学检测设备1输出形成光学干涉条纹信号，两个光电探测器5、6将干涉条纹信号转换成电信号，该电信号分别包括正弦和余弦信号，将光电探测器的电信号正弦信号、以及经反相器2处理的反相正弦信号、余弦信号和地信号四路分别接入比较器3，形成四位比较信号；最后将这四位比较信号输入大规模可编程逻辑器件FPGA4中，应用条纹编码计数法进行处理，检测出干涉条纹移动的整周期数以及不到一个周期的细分数。