基于电流调制的频率扫描绝对距离测量方法设计研究(3)

发布时间：2014-08-27 15:50

第 4 章 实验数据采集的软硬件设计................................22
4.1 单象限光电转换电路................................22
4.2 PCI1716 数据采集卡...................................24
4.3 信号滤波.....................................26
4.3.1 软件滤波算法........................................26

4.3.2 整周期提取算法......................................29
4.4 实验数据的处理..................................30
4.5 本章小结..................................33
第 5 章 实验结果及误差分析.................................34
5.1 重复性实验.................................34
5.2 比对测量实验.....................................36
5.3 误差分析.............................................38
5.4 本章小结...........................................39

第5章 实验结果及误差分析

5.1 重复性实验
为了研究该频率扫描测量方法在进行绝对距离测量时测量结果的重复性，现在对 240mm 左右的绝对距离连续测量三次，每次利用基于零点的周期或频率提取算法对采集到的实验数据进行处理，处理的结果如下图所示。


上图中，线 1 代表比对光路的信号，线 2 代表测量光路的信号。从起始的零点位置到最终的零点位置，线 1 共包含 7 个完整的周期，线 2 共包含 18 个完整的周期。由于采样控制起始时间的差异，所以三次测量的零点位置有一定的时间偏差。从上图中可以看到，第一次测量时，线 1 的起始零点位于第 366 点，线 2 的起始零点位于第 331 点，线 1 的终点零点位于第 2630 点，线 2 的终点零点位于第2632 点，这样计算得到第一次测量的结果为 240.1576mm；第二次测量时，线 1 的起始零点位于第 306 点，线 2 的起始零点位于第 270.5 点，线 1 的终点零点位于第2568 点，线 2 的终点零点位于第 2571 点，这样计算得到第二次测量的结果为240.1975mm；第三次测量时，线 1 的起始零点位于第 243 点，线 2 的起始零点位于第 209 点，线 1 的终点零点位于第 2505 点，线 2 的终点零点位于第 2510 点，这样计算得到第三次测量的结果为 240.1452mm。对比三次测量的结果可以看到，这种基于零点的周期或频率提取算法具有很好的重复性。

5.2 比对测量实验
为了研究这种频率扫描方法用于测量绝对距离的精度。把目标镜固定在有导轨的运动工作台上，如图 5.2 所示。一方面利用双频激光干涉仪测量工作台运动位移，另外一方面利用实验系统测量绝对位移。

工作台每运动 25mm 左右的位移，通过固定在运动台上的目标镜 2，记录一次双频干涉仪的测量结果。同时通过目标镜 1，利用实验系统，探测两路扫频信号，最后利用上面的方法计算扫频干涉信号的周期比。每隔 50mm 左右的实验结果如表 5.1 所示：

由公式 2.18，根据运动位移等于绝对距离之差，可以推导，运动位移  △S 与周期比差△P T存在如下关系：

5.3 显示了每隔 25mm 左右，采样一个运动位移与周期比差的关系：其中横坐标代表运动位移，由双频激光干涉仪测量给出，纵坐标代表相应的周期比率差，由计算机采样数据并用上面的计算方法给出。
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第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结
绝对距离测量在计量科学与工业应用领域具有重要理论价值与实用意义。本文在研究了国内外利用激光干涉测量法进行绝对距离测量的基础上，提出了一种带补偿的利用频率扫描进行绝对距离测量的系统，主要从以下几个方面进行研究：首先，本文提出了一种基于电流调制的绝对距离测量系统。本文的第二章从整体上介绍了该测量系统及测量原理，包括以下几方面的内容：1. 介绍了半导体激光器的电流调制特性；2. 设计了半导体激光器驱动电路，用于实现半导体激光器的电流调制；3. 介绍了光的干涉理论，这是了解测量系统及原理的理论基础；4. 重点介绍了带补偿的绝对距离测量系统，该系统采样双干涉系统进行比对测量，这样有利于减少环境等因素对测量的影响；5. 最后介绍了该测量系统的测量原理。
接着，本文提出了一种基于零点的周期或频率提取算法。利于该算法对测量系统产生的干涉信号进行处理，从而可以提取高精度的相位变化量，实现绝对距离的测量。本文的第三章介绍了该算法，主要包括以下几方面的内容：1. 介绍了离散时间的傅里叶变换，对采集到的实验数据进行离散傅里叶变换，可以估计干涉信号的周期数，为进一步的平滑处理作准备；2. 介绍了两步差分平滑卷积，利用离散傅里叶变换得到的信号估计周期数，构造卷积算子，对干涉信号进行两步差分平滑卷积，从而实现了对干涉信号的平滑处理；3.本章的最后分析了平滑卷积零点间隔与理论周期间的误差。
紧接着，本文的第四章介绍了数据采集方法，主要包括以下几方面的内容：1. 介绍了单象限的光电转换电路，该电路用于将测量系统产生的干涉信号转换为电信号，后面采集的信号也是该电信号；2. 同时介绍了用于数据采集的 PCI1716数据采集卡，该数据采集卡的采样频率为 250k/s，可以很好的满足数据采集的要求；3. 介绍了信号滤波算法，主要包括软件滤波算法与整周期提取算法，采集卡采集的是经滤波后的信号，这样可以获取比较理想的数据，有利于后续对数据的处理。
最后，本文利用第二章提出的基于零点的周期或频率提取算法对采集到的实验数据进行了处理，通过对某一绝对距离进行连续采样，对得到的数据进行同样地处理，验证了该算法具有很好的重复性；同时，将该系统与双频激光干涉仪进行比对测量，验证了该算法在进行数据处理时有一定的优势。
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参考文献（略）

本文编号：8486