doc圆光栅直径误差检测中信号的处理方法

1、圆光栅直径误差检测中信号的处理方法1蛔9卑10目光学工程第5期怠第83朝四光栅直径误差检测中信号的处理方法龚亲文吕文松游素芳(中国科学院光电技术研究所)【摘要】为7比较真实地测量出躅光栅直径误差j砭刘线位置误差0,.本文指出7对被测盘信号进行差放处理的必要性.从理论进行7分析,井用实验进行7验证.一,圆光栅待测误差项目栅是精密钡j角仪器箜羞量垂,它的质量好坏直接决定了测量仪器的精度.目前,对翻丽蕊蚕项:.一i.直径误差.(或刻线位置误差0.)2.均,匀性误差3.封闭误差0,圆光栅刻线位置误差0是指其栅线组实际刻划位置与理论位置偏离的角度量.圆光栅直径误差.是指对径两栅线组刻线位置误差的算术平均

2、值.即圆光栅均句性误差是光栅线纹质量,黑自比,光密度等因素在整个测量范围内不一致所造成的定位误差.也就是说,均匀性误差的引起,同被测圆光栅线条宽窄变化,乳剂层厚薄不一致以及线条区域黑自点等疵病有关.它们可归结为在整个刻划区域上,造成通光置不一致而引起光电信号变化?在电子线路中反映出来的是直流电平有起伏,从而引起相应的角度谡差.圆光栅封闭误差0,n是指它的起始栅线与终止栅线的不重合程度.它以首尾两栅线的间二,测试方法比较和存在问题目前,对圆光栅直径误差-(或.-)的光电检测,普遍采取莫尔条纹比相的方式进行.在方法上,通常采用比较法与常角法两种,在被测信号的电路上,有的采用直流电略系统.?4?有的

3、肘采用交流电路豌(见图)图l(a)出较法拴洲示意框图被捌盘r信号11直流放大为常角c一倍2i:=:圈1(b)常角法格驯示意框圈只要所采用的电路和测试条件相同,比较和常角两种方法测试结果,其直径误差.(或刻线位置误差0.)的大小及分布一致但是,对同一块圆光栅采用交,直两种电路测试时,其一(或0.)的大小与分布就有差别.有的差别甚至较大.同样,即使是采用同一直流电路系统,如果采用不同的莫尔条纹信号对比度检测,其.(拽0.)的溯试结果的大小与分布亦有区别.特别是当被测盘均匀性误差o与直径误差两数值相当或更大时,其差异更加明显.另外,同一直流电路系统,被测盘信号分别采用从它的同,反相端输入(即前,后沿

4、)比相测试时,其被测盘(或0.)的潮试结果也是耐样地出现这种差异情况.三,误差来源分析圈光栅采用直瀛电瞎系统测试它的直径误差i(或0,)时,其均匀性误差基本上是1t1地反映到;(或0)中去,见图2.该波形图是假定被涮盘因黑自线条不等引起的均匀性误差ao而带进到直径误差中的情况.波形e中的为被测盘在该位置没有0引人的相位差,为被测盘在该位置目黑白线条宽窄不等引起直流电平变化,而使引入的相位差.所以,该处l:.+.亦即均匀性误差0会lti地反映到i(或0.>中.因此,其直径误差(或0.)检测结果并非纯粹是;(或0)这一单项误差指标,而反映出的是被翻盘综合误差(分度误差,均匀性误差等).采用交

5、流电路系统测试时,均匀性误差ao反映到直径误差.(或0.)中的程度,髓其电路耦合网路时间常数f的大小不同而各异.但不管怎样,显然没有直流电路系统测试时反映到直径误差-(或0)中大.另外,被渊盘均匀性误差的大小,同测试时所调信号对比度?45?n的高低有关(见表1).其关系是:当对比度q低做铡试时,均匀性误差偏太.随着的增高,0偏小i当调高到一定程度时,基本上投有什么变化了.所以,圆光栅直径误差(或0)采用直流电路系统测试时,其测试结果与对比度的高低(即均匀性误差大小的改变)商直接关系.通常,对圆光栅上述三项误差检测指标是单独提出的.因此,测试直径误差i(或0)时,应避免将均匀性误差混杂进去.但现

6、在,我们不管是采用直流还是交流电路系统,所测试出来的结果并非真实反映出直径误差(或0)这一单项误差指标.直流iii:_厂.【=:只:j=二j=_廿廿一辩螂.=:盹.:=n晰图2波形固裹l圆光在不同对比鹰试时其均匀性臻墓结果l5_ll坚一百1言1?15i1?13l1?09i:卜一均匀性误差2?21?电路测试结果为综合误差.而交流电路测试结果,当电路耦合网络时间常数t造得过小,直径误差(或0)中则会残留一些.反之,i(或0)则要被摅掉一些.所以,用交流电路系锍谴试(或8.)时,事先必须反复实验调整,以选择好与之相匹配的t值.四,被测盘信号的差放处理为了比较真实地测量出圆光栅直径误差(或0),并从使

7、用的角度出发,莫尔条纹光电信号的处理,大都使用差放方式即共模抑时的方式.因此,我们认为圆光栅以采用这种差放的方式测试为宜?现在的测量仪器,在电路上之所以采取差放的方式使用,主要是用以消除莫尔条纹信号中偶次谐波及圆光栅的均匀性谤差,并防止灯丝老化及电压变亿对信号零位的影响?所以,我们者采用差动放大的方式涣i试圆光栅直径误差(或0),则与使用条件是一致的.目前,各有关单位对圆光栅的检测,其被涮信号的提取一般只从元件的接收窗口面积大小等情况去考虑了.但来见有提出过对被测信号进行差放处理后再测试蚵意见.因此,提取的被翮i信号都是来消除直流分量的单路信号.这样,电路不论是采用交流或直流系统,其涮试结果均

8、不能真实反映出被测盘的直径误差(或0),也与使用条件不一致.所以,一现在我们首次提出对被铡信号事先进行差放处理后再测试,这就克服了上面所避存在的问题.所谓差放方式检测(见图3),是将被测盘的读数头安放两个光电接收元件(相互紧贴,径向放置)见图4所示.为了尽可能使两路信号等幅且相位差互差18o.首先,需选好元?46?帕号件,尽最使两元件性能一致其次,被测圆光栅的安装偏心尽量调至最小状态.测试时,将这两路原始信号经过一比一差放,然后输入到我们原有的直流电路系统参见图1(a),图1(b),同标准差信号比相(如用常角法,则被测盘两读数头的各自差放信号自身进行比相),通过一v(或a/d)转换,最后,由记

9、录仪自动画出误差曲线,再由微机自动数据处理,便得出了被浏圆光栅直径误差.(或0.)的分布和量值.这种测试结果,可以消除被浏圆光栅均匀性误差对(或日)的影响.图3救测盘两接收元件之信号盖放简图.0广ri(一z)=一(r?=r.)v】=u0一usinwtv2=ud+usln(t+)vdv】一v2=(u+usincot)一uo+usln(.t十)=2usincot所以,经差动放大后,消除t直流分量u.五,结论通过对刻划与复制出来的几种圆光栅用原有的直流电路系统所做的测试实验工作,我们从这些实验比对数据中(见图5图8),完全可以得出以下几点结论.(1)被测圆光栅取出的两大小相等,相位相反的信号,经差放

10、后输入到原有直流电路系统测试,比被测赫单路信号直接输入到原有直流电路系统测试,所测得的直径误差i的量值偏小.特别是当被测盘均匀性误差同的数值相当或比.更火时,用差放测试的.量值结果比不用差放测试的,偏小更为明显光栅盘目4被测盘接收元件放置示意图?47(2)被铡盘差放信号分别从直流放大器同,反相端输入测试,其所得到的两的分布,大小趋于一致.而光是被测盘单路信号输入测试时,则同,反相端所测得的两i分布,大小有明显差异特剐是当被测盘均匀性误差较大时,其两者差异更为显着.lll(3)被测盘采取差放测试,由于消除了均匀性误差o的影响,所以,对所调莫尔条鼓信号对比度高低不一时,所得到的分布,大小一致性影响

11、很小?而不用差放测试时,则各自测得的直径误差i的分布,大小差异大.需要说鹳的是:从理论上讲,将被灏【圆光栅信号差放后测试,可以完全消除其均匀性误差对直径误差的影响.但是,事实上两接收元件的性能不完全一致j在测试中,被测盘偏心不可能完全理想,加之,两元件所接收的刻划区域及线条质量不尽相同等原因,这就势必造成两元件直流电平及变化量,信号幅值不一致,两互差180.的信号或多或少有变化a因而,引起两被测信号差放后要残留一些直流分量而带进直径误差.(或0)中.所以,采用差放方式,从直流放大器同,反相端分别输入(即前,后沿)比相测试时,两者测试结果,其(或0)的分布,大小略有变化.但完全能满足测试工作的要

12、求与测量精度.如果采取多次(错位或连续)测量,取其(或0)的均值进行比较,可以肯定,两者差异更小,效果更佳.?48?一.三琴薹圈5),.i慧jj.围7?49/,二-二:,35./,厂,二二:/一一o?一i一,缸,.乏圈8总之,为了较真宴可靠获得圆光栅直径误差(包括刘线位置误差)这一单项指标的分布,大小,我们提出并采用对被测信号差放后再进行测试是十分必要和可行的.参考文献1吕文松等,圆光栅的检测厦数据处理,光学工程,1982年,第l期.2龚亲文,对比度对直流系统测试圆光栅直径误差的影响,计量技木,1987f-,第7期.3龚亲文,圃光栅光电检测的几个问题,1988年全国机械量测试技术和仪器学术会论文桑第3分册.4李明媛,杨进堂,计量光栅均匀性误差的检测,光学机械,1983-第2期.5龚亲文,度盘,光栅盘斟巍位置误差的检翊lj厦数据处理方法,光学工程,1988年第4期signalprocessingmethodforcirculargratingerrordetectiongongqlngwen,lnwensong,yousufang(cl!er,gduiifp0foptics&electronics.cacademy0scie*ces)abstractinord