基于线阵CMOS传感器的光栅尺测量系统开发

发布时间：2018-07-21 16:50

【摘要】：随着微电子产业的高速发展,微电子制造装备对运动速度和定位精度要求越来越高,微电子制造装备的特征是过程高速运动(3m/s~5m/s)和末端精密定位(0.01?m~1?m)。如何提高测量速度和精度是实现高速精密测量的前提,也是电子制造设备的关键,关系着微电子产业的未来发展。光栅是应用最多的位移传感器,具有高精度、高分辨率、大量程和抗干扰能力强等特性,被广泛应用于精密测量领域。光栅位移测量系统的性能直接决定位移测量精度,常用的栅格式位移测量系统是利用莫尔条纹的复杂细分或减小光栅条纹栅距来提高测量精度,前者是对模拟信号的数字细分,易受外部噪声干扰而降低精度,后者对光栅尺的制造要求高,成本大幅增加。针对栅格式位移测量系统存在的问题,本文着眼于光栅测量技术,从提高分辨率、位移测量精度和测量速度这三个角度出发,设计了一款基于线阵CMOS图像传感器的光栅尺位移测量系统。在系统方案制定过程中,针对现有光栅位移测量系统获取位移的方案不能兼顾高速高精度的问题,提出基于高帧频的线阵CMOS传感器的光栅图像采集方案,并利用FPGA并行特性对采集到的光栅图像数据进行快速编解码处理,以满足系统实时显示位移要求。为提高系统分辨率,本文提出了将图像传感器与光栅栅纹成一定倾斜角度的纵横转换放大方法来实现系统高分辨率,并采用亚像元细分法提高测量精度。为减小数据量处理,对细分法获取的图像区间求均值并取整得到等距区间,对单一等距区间进行图像数据解码得到位移值。在系统硬件设计过程中,根据线阵CMOS传感器成像特点选择对应的光源,镜头和支架平台。位移采集卡是本系统取得高精度测量的关键部件,根据系统图像数据采集的实时传输特性,采用高速AD和高速并行FPGA来完成数据的转换和像素处理工作。为满足人机交互要求,采用USB2.0高速数据传输接口实现光栅图像和测量位移值的传输。本文在系统软件设计过程中,采用Verilog语言完成线阵CMOS传感器、高速AD转换的驱动程序设计,并进行仿真验证。根据CY7C68013A的传输方式,采用Slave FIFO模式完成下位机和上位机的图像数据传输,确定纵横转换放大方法的倾斜角度,并更改固件程序和驱动程序。图像传感器采集到的光栅图像往往会带有大量噪声,本文提出了改进的中值滤波求解算法对图像进行降噪处理。根据系统实时性要求,在FPGA内部完成亚像元细分算法、图像降噪算法、方向判断和位移计算。PC端软件开发采用MFC多线程编程方法,完成上位机界面设计,实现位移的实时采集和光栅图像的显示。最后在大族伺服直线电机平台上安装本论文设计的光栅位移测量系统,并用激光干涉仪进行位移测量标定。通过理论分析和实验表明,该位移测量系统具有较高的测量精度,同时具有实时性高,稳定性好,硬件电路简单等特点,测量系统能达到位移测量精度±0.5?m,分辨率0.06?m,最高运动速度10mm/s。本论文所研究的成果对光栅尺位移测量领域提供了一条新的路径。
[Abstract]:The paper designs a grating image acquisition scheme based on linear array CMOS image sensor by using high speed AD and high speed parallel FPGA to improve the accuracy of measurement . The displacement measuring system has the characteristics of high measurement accuracy , high real - time performance , good stability and simple hardware circuit . The measurement system can achieve the displacement measurement accuracy of 卤 0.5 脳 m , resolution 0.06 ? m and the highest moving speed of 10mm / s . The results of this paper provide a new path for the field of grating ruler displacement measurement .
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41;TP212

【参考文献】