相位基于相位调制的光栅精密位移测量系统关键技术研究开题报告.doc

填 写 说 明一本表为研究生进入课题研究和学位论文工作时在导师指导下所做的课题研究报告，为保证硕士研究生有一年以上的时间用于课题研究，博士研究生有二年以上的时间用于课题研究，硕博连读研究生有不少于二年半的时间用于课题研究，研究生应按时开题，并填写开题报告。二指导教师和所在系所要认真审查研究生选题是否准确、适当（即课题有无理论意义和经济意义，作为攻读学位的研究生研究课题是否适宜，在课题的难度和份量上是否恰当，能否在规定的时间内完成等），实验方案是否合理、可行，并对所选题给予恰当评价。指导教师意见中还可以对研究生的开题报告作某些补充和说明。三填写本表前系所应组织研究生就选题情况进行公开答辩，提出修改意见。研究生修改定稿后填写本表。经导师、系、学院签署审核意见后复印二份，在第三学期结束前（硕士研究生、博士生）、第四学期结束前（硕博连读生）送学院研究生秘书汇总，二份留学院，原稿由学院研究生秘书送研究生培养科存档。四博士生、硕博连读研究生需要填写研究生学位论文开题报告简表，开题报告的公开答辩的成绩由学院登录。五本表经批准后必须严格执行。如因特殊原因必须修改计划时，须书面申请，并经导师、系、学院同意后方可修改计划。六如果论文选题有重大变动，必须另行开题。研究生学位论文开题报告简表录取类别（ ） 免试 （ ）应届生 （ ） 其他学习类别（ ） 在职学习（ ） 脱产学习入学时间2010年9月预计毕业时间2012年5月指导教师第一导师姓名、职称第二导师姓名、职称论文题目：基于相位调制的光栅精密位移测量系统关键技术研究依托的项目（课题）名称项目（课题）编号、来源项目（课题）的起始时间导师在项目（课题）中作用项目（1）（ ）主持人（ ）参加项目（2）（ ）主持人（ ）参加自拟项目（ ）主持人（ ）参加预计研究的创新点光源驱动方式：对LED光源的光强信号作正余弦规律变化，以此作为电路的调制信号信号处理方式：对正余弦两路相位调制信号进行位移信号的解调其他需要说明的事注：选题的依托项目（课题）的起始时间应与博士论文工作必须有一年以上重合期。本简表为博士生（含硕博）研究生学位授予时审核的依据。硕士研究生不填写该页简表。一 学位论文题目：基于相位调制的光栅精密位移测量系统关键技术研究二所选课题的来源、目的、意义及该课题在国内外的概况：目的：将LED光源按照正、余弦变化的光通量，作为调制信号；光栅每栅格输出的脉冲信号作为载波信号，对光源模块和光栅尺的相对位移量进行相位调制；再通过软件方法实现解调，在对测量信号进行修正和补偿后，最终实现位移量的高精度测量。意义：随着现代加工和计量技术的发展，对长度和位移量的测量精度要求不断提高，同时也要求测量结果能够方便地输出和进行数据处理。光栅测量技术由于具有很高的测量精度，并且能够和电子技术、计算机技术相结合，实现测量的高速化、自动化而被作为精密计量元件广泛应用于仪器仪表及机床等方面。本课题对信号的处理方法不同于传统光栅测位移基于光栅栅距变化的直接测量，而是采用相位调制的方法，将位移信号的变化转换成信号的相位差，既保留了光栅侧位移系统结构简便、处理速度快、分辨率高的优点，而且由于现阶段晶振的时钟基准已经十分稳定，所以若将相位差作为位移变化的协变量，则很容易实现高精度的测量，因此在很大程度上提高了系统测量的准确性，降低了环境中各种噪声对信号的影响。国内外概况：随着近代科学技术和工业的发展，利用光学进行精密测试是测试技术领域中的主要方法之一。在近代对测试技术要求更高的灵敏度和精度，传统的普通光学方法已经不能适应，为此，七十年代以来国内外主要发展以激光为中心的精密测试技术，特别是激光与计算机结合的近代光学测试技术。如今，国内外都已经有了较为成熟的基于光栅的激光测量产品，如德国海德汉公司生产的HEIDENHAINSPECTO高精度光栅式长度计、德国马尔公司生产的Millimar P15-15系列光栅测头以及我国标普纳米测控技术有限公司生产的LGl0系列超级千分表，其中大部分都是以光栅栅距作为基本单位的测量方法，而以相位变化为原理的测量系统还处于发展阶段，大部分也都是用于表面形貌测量，如2004年Xu Yande提出的用一个双光栅正弦相位调制干涉仪来测量物体阶梯表面的高度差。因此本课题将相移对应位移的原理应用于位移测量中具有创新点，也为突破获得更高的测量精度创造了一条途径。-1-三课题研究的主要内容及拟解决的问题和预期效果：主要内容：系统的框图如图1所示，LED经过其驱动电路分别发出正、余弦变化的光强信号，经准直透镜等光学元件的处理，投射过指示光栅与光栅尺，形成莫尔条纹，读数头在莫尔条纹不同相位处接受含有相位差的光信号并转换为电信号，经信号处理电路，将信号调制成包含位移量的相位信号。LED驱动电路LED光源准直透镜信号处理电路读数头光栅尺Labview软件处理信号图1 系统框图拟解决问题：1. LED光通量调制驱动电路设计；2. 调制信号检测及处理电路设计；3. 通过模拟光栅信号发生装置对调制信号检测及处理电路的测试与验证；4. 基于Labview的软件解调信号方法及信号处理。预期效果：1. 构建相位调制光栅精密位移测量系统；2. 各模块正常工作；3. 最后的信号可实现对位移的准确测量；4. 系统达到结构简便、测量快速、精度高的要求。-2-四实验设计方案及所需要的主要设备、仪器、材料（名称、规格型号）及其数据（实验大纲另订）。设计方案：系统的结构图如图2所示，主要包括LED及其驱动电路、读数头模块、信号解调处理模块，另外在系统结构外，还需设计一个模拟光栅信号的发生装置，以确保读数头中的信号处理电路在高频信号下可以正常工作。图2 系统结构图首先对各个模块逐步设计与验证：1. LED光通量调节驱动电路：选用高品质可调光强的LED灯，设计功率 可调电路实现对光强的调节。2. 读数头模块：主要包括光电传感器与信号处理电路两部分。光电传感器选用适于高频转换的低噪声光电二极管，拟用四路检测，将四路传感器分别置于光栅莫尔条纹的每1/4周期处，可以检测出四路相位分别相差90的正余弦信号；信号处理电路将四路信号分为相位差为180的两组，通过差分放大电路去除了信号中的共模噪声，并使信号中不包含系统由环境引起的干扰，每组信号分别引入一个与信号本身直流分量大小相同的直流信号，通过减法放大电路去除信号的直流分量，最后再经过放大滤波后达到幅值较为适中、干扰较低的信号。3. 模拟光栅信号发生装置：为了检测电路在接收高频信号时能否准确对信号处理，用一个高频变化的光源来检测电路的性能，此发生装置原理是用两个直流电机分别带动一个圆码盘，处于平行相对高速转动，每秒钟光源变化的频率与光栅相近，光源从两个码盘的一边投射到另一边，给光电二极管接受，再将信号送入电路中处理，利用示波器观察信号的失真情况以判断电路处理信号的性能，以便对电路做出相应调整。4. 信号解调处理模块：基于Labview软件，对得到的相位调制信号进行解调，拟用软件实现信号的辩向与细分，通过得到的U0反求出精度较高的位移x。每个模块都设计完毕后，对整体的系统进行构造，主要是结构上的最优化设计，使系统达到结构简便、测量快速的要求。系统搭建完毕后，进行实际测试，对系统进行误差分析与修正，最后使系统的精度达到最佳。主要设备、仪器：1. 光栅尺和指示光栅；2. LED和LED光通量驱动电路；3. 准直透镜组；4. 读数头（光电传感器和信号处理电路）；5. 信号解调处理系统（Labview软件）；6. 高精度工作台。材料： 1. 电路材料：高速运算放大器、贴片电容、贴片电感、贴片电阻、滑动变阻器、电源转换芯片若干；2. 光路材料：准直透镜组若干；3. 机械材料：光栅模拟信号发生装置支架、LED支架、运动导轨。-3-五关键问题，现有条件及解决办法：关键问题：1. LED正、余弦变化光通量信号的驱动电路；2. 信号的相位调制及解调。现有条件：1. LED光源、电源驱动模块；2. 信号调制电路、Labview软件解调分析。解决方法：1. 对于LED光源光通量的控制，可以利用电流变化来驱动LED光通量的变化，因此可以设计一个功率可调的电源模块来给LED供电，选择LED光通量随电流变化的近线性区域段，对LED供给呈正、余弦规律变化的电流，以实现光通量的正、余弦变化。2. 信号调制电路的原理：在两光路中，每光路有四个光电探测器分布于莫尔条纹的每1/4周期处，分别读出+sin、+cos，-sin、-cos四路相位依次相差90的信号，分为+sin和-sin、+cos和-cos两组相位分别相差180的信号，通过运算放大器的差分放大电路，便可将信号中的共模干扰以及环境导致的系统误差去除，得到两路相差90的正弦和余弦信号；正、余弦信号再经过放大滤波等电路的处理，便可得到两组低噪声、幅值适中的正弦与余弦信号。此时，读数头的位移体现在正余弦信号的相移上，通过乘法器将信号相乘，得到KeUmsintcos(x/W)和KeUmcostsin(x/W)，再将这两路信号相加，便可得到一个和位移x成正比的相移变化信号U0=KeUmsin(wt+x/W)，其中W是光栅的栅距。解调的过程是接受数据后对数据进行辨向细分，通过公式用已知的U0反求位移值x。-4-六进度安排及完成毕业论文日期：已完成进度：模拟光栅信号发生装置设计 读数头信号的相位调制与处理电路设计进度安排：预计2012年6月到7月，利用模拟光栅信号发生装置对