对相位差不敏感的交点跟踪式莫尔(干涉)条纹信号计数细分方法及装置 技术领域：
本发明涉及一种精密测量技术，具体涉及一种对偏离正交状态的光学莫尔(干涉)条纹光电信号进行正确辨向和计数细分以进行精密测量的方法及由该方法所设计的装置。
背景技术：
超精密加工技术是适应现代尖端技术的需要而发展起来的一种新技术，是航空、航天、电子、原子能、机械、仪表等技术极为重要的基础，在现代武器的制造中具有非常重要的作用。而利用莫尔(干涉)条纹实现精密位移测量的条纹测量技术是超精密加工中用途最广泛、使用最成熟的一种技术。莫尔(干涉)条纹是指明暗相间的光学条纹。自1953年英国Ferranti公司的爱丁堡实验室建立了第一个利用莫尔条纹(Moiré Fringe)测量位移的工作样机后，陆续出现了许多种利用莫尔(干涉)条纹来精密测量位移的光学系统，其原理是：当被测目标产生一定位移的同时，光学系统会产生成比例的一串莫尔(干涉)条纹，测量数显电路对整周期信号进行计数，对尚不能构成一个整周期的信号进行细分，然后由计数值与细分值共同得到精确的位移量。例如，当一个信号周期表示1μm时，若信号计数值为500，细分片段值为0.32个信号周期，那么总地位移量为500.32μm。然而，在现有技术中，莫尔(干涉)条纹的计数与高倍数细分都是以两路正交信号为基础的，当两路信号偏离正交态时，不仅会引起细分误差，降低细分倍数，而且对小于一个信号周期的位移还会出现不能正确辨向的情况。此外，现有的常规计数法在莫尔条纹单方向移动时，可以正确计数，而当莫尔条纹的移动情况比较复杂时，就会发生丢数或多计数现象。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供了一种对相位差不敏感的交点跟踪式莫尔(干涉)条纹信号计数细分方法。
本发明的技术问题是通过下面的技术方案解决的。其特征在于其方法包括下述步骤：
(1)按两路信号的极性和交点对信号周期进行浮动式分段：
根据两路信号的幅值相对大小和极性，将一个信号周期分成8段，然后在数字信号处理器内设置两个单元作为交点寄存器，并赋初值0；测量过程中，实时判断两路信号采样数据的极性和幅值，计算当前采样点所处的区段，并与缓存下来的前一个采样点所处的区段进行比较，每次当采样点由区段1进入区段2或由区段5进入区段6时，将两路信号中幅值较大的一个存入一交点寄存器；当采样点由区段3进入区段4或由区段7进入区段8时，将两路信号中幅值较大的一个存入另一个交点寄存器；当两路信号的位相差发生变化时，交点I和交点II的幅值也相应地发生变化，从而实现对一个信号周期的浮动式分段；
(2)在数字信号处理器内设置一个单元作为可逆计数器，并赋初值0，然后将当前采样点所处的区段与缓存下来的前一个采样点所处的区段进行比较，采样点由区段1进入区段2或由区段5进入区段6时做一次加计数，莫尔(干涉)条纹正向移动；采样点由区段4进入区段3或由区段8进入区段7时做一次减计数，莫尔(干涉)条纹反向移动，信号每变化一个周期，数字信号处理器进行两次计数；
(3)开始测量时，采集两通道数据，分别对其进行归一化，根据其极性和大小判断出测量起始点所在的区段，将当前采样数据中较小的一个存入起始点寄存器中；测量过程中，采集两通道数据，分别对其进行归一化，判断其所处的区段，并将归一化后数据中较小的一个缓存进终止点寄存器中，同时跟踪两路信号的峰值和谷值，跟踪两路信号的交点并缓存到相应寄存器中；将获取的测量起始点、终止点和交点I、交点II分别查表，得到其幅值对应的位移量，再根据起始点和终止点所在的区段，结合交点I和交点II，计算出不足一个信号周期的位移值L；若修正后的大数计数结果N，则当前总的测量位移值L总的计算公式为：L总＝N·d/2+L。
本发明根据上述方法所设计的装置包括运算放大器，模数转换芯片，数字信号处理器，单片机，译码器和液晶显示器，所述运算放大器通过模数转换芯片与数字信号处理器相接，数字信号处理器同时与单片机和译码器相联，单片机又与液晶显示器相接。
本发明具有以下技术效果：
1、通过对两路输入信号的交点进行浮动跟踪，可克服传统细分方法中由于两路信号位相差变化造成的区段判别错误；
2、无需信号正交，只要两路莫尔(干涉)条纹光电信号不完全同相或反相，就可实现准确的计数细分和正确辨向(包括对小于一个信号周期位移的正确辨向)，突破了传统计数细分方法两路信号必须正交的限制，具有更强的环境适应性和抗干扰能力；
3、可同时消除信号直流电平漂移、两路信号幅值不等、信号非线性和信号不正交对细分的影响，可实现更高的细分准确度。
4、计数动态范围可达0Hz-500KHz，并可处理轴向震动位移信号，抗干扰性强；
5、可靠性高，细分倍数高。
附图说明：
图1为本发明两路非正交信号绝对值波形和分段图；
图2为本发明装置结构框图。
具体实施方式：
本发明是通过下述步骤实现的，它包括：
1.按两路信号的极性和交点对信号周期进行浮动式分段：
如图1所示，为了对输入信号正确辨向和细分，根据表1将一个信号周期分成8段。两路信号正交时，其交点在幅值上是相等的，每个区段所对应的位相相等；当两路信号不正交时，交点I(图1中点A，C或E)和交点II(图1中点B或D)的位置发生变化，每个区段也相应地拉伸或压缩。但区段1，2，3，4长度之和与区段5，6，7，8长度之和始终相等，都对应半个信号周期，且不随两路信号位相差的变化而变化。
表1 整周期信号的分段 Sin1极 性 Sin2极性 |Sin1|-|Sin2| 细分选用的信号 1 + + ＜0 |Sin1| 2 + + ＞0 |Sin2| 3 + - ＞0 |Sin2| 4 + - ＜0 |Sin1| 5 - - ＜0 |Sin1| 6 - - ＞0 |Sin2| 7 - + ＞0 |Sin2| 8 - + ＜0 |Sin1|
2.两路信号峰值和零电平值的跟踪：
在测量开始前，设定一段自检程序，让莫尔条纹有大于一个周期的位移。同时高速采集两路输入信号，分别判断并缓存下其峰值和谷值。计算出当前两路输入信号的零电平值和最大值，用于测量开始时第一个周期内采样数据的归一化。测量过程中，根据大数计数的情况实时判断信号是否移动了一个周期，同时判断并缓存下该周期内两路信号的峰值和谷值，用于下一周期内采样数据的归一化。通过自检方式确定信号的初态，并在测量过程中实时跟踪两路输入信号峰值和谷值，保证了信号零电平值的浮动，克服了信号直流电平漂移对计数和细分的影响。
3.两路信号交点的浮动跟踪：
在数字信号处理器内设置两个单元作为交点寄存器I和II，并赋初值0。测量过程中，实时判断两路采样数据的极性和幅值，计算当前采样点所处的区段，并与缓存下来的前一个采样点所处的区段进行比较。每次当采样点由区段1进入区段2或由区段5进入区段6时，将两路信号中幅值较大的一个存入交点寄存器I；当采样点由区段3进入区段4或由区段7进入区段8时，将两路信号中幅值较大的一个存入交点寄存器II。当两路信号的位相差发生变化时，交点I和交点II的幅值也相应地发生变化。两路输入信号交点的实时浮动式跟踪，克服了位相差变化造成的区段判断错误，保证在信号偏离正交状态时可以进行准确的信号细分和辨向。
4.计数：
在数字信号处理器内设置一个单元作为可逆计数器，并赋初值0，然后将当前采样点所处的区段与缓存下来的前一个采样点所处的区段进行比较。当采样点由区段1进入区段2或由区段5进入区段6时做一次加计数，莫尔条纹正向移动；当采样点由区段4进入区段3或由区段8进入区段7时做一次减计数，莫尔条纹反向移动。这样，信号每变化一个周期，进行两次计数。判断信号是否由区段1进入区段2两次或由区段4进入区段3两次，若是，则由缓存的信号峰值和谷值计算并更新零电平值。这样，在计数的同时，实现信号零电平值和两路信号交点的浮动式跟踪，消除了信号直流电平漂移造成的计数误差，也避免了信号偏离正交态时造成区段判别的错误，并可克服信号过零点附近高频扰动对计数带来的影响，保证准确的大数计数。
5.细分：
5.1开始测量时，采集两通道数据，分别对其进行归一化，根据其极性和大小判断出测量起始点所在的区段；将归一化后采样数据中较小的一个存入起始点寄存器中；
5.2测量过程中，采集两通道数据，分别对其进行归一化，判断其所处的区段，并将归一化后数据中较小的一个缓存进终止点寄存器中。同时跟踪两路信号的峰值和谷值，跟踪两路信号的交点并缓存到寄存器中；
5.3将获取的测量起始点、终止点和交点I、交点II分别查表(即事先根据细分倍数，在微处理器内设置适当的单元，将一个信号周期按照幅值与位移量的对应关系计算得出的数据按顺序存储形成的表格)，得到其幅值所对应的位移值，其中交点I幅值对应的位移值LFirst；交点II幅值对应的位移值LSecond；起始点幅值对应的位移值为LOri；终止点幅值对应的位移值为LStp。
假设一个信号周期代表的位移当量为d，当起始点在1区段，终止点在其它区段时，不足一个信号周期的位移L如下进行计算：
①.终止点在1区段时
LStp＞LOri时正向位移：L＝LStp-LOri
LOri＞LStp时反向位移：L＝LOri-LStp
②.终止点在2区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+|LFirst-LStp|
反向位移时：L＝d-(|LFirst-LOri|+|LFirst-LStp|)
③.终止点在3区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+LFirst+LStp
反向位移时：L＝LOri+d/2+LSecond+|LSecondt-LStp|)
④.终止点在4区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+d/4+|LSecond-LStp|
反向位移时：L＝LOri+d/2+LStp
⑤.终止点在5区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+d/4+LSecond+LStp
反向位移时：L＝LOri+d/4+LSecond+|LSecond-LStp|
⑥.终止点在6区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+d/2+|LFirst-LStp|
反向位移时：L＝LOri+2·LSecond+LStp
⑦.终止点在7区段时
正向位移时：L＝|LFirst-LOri|+d/2+LFirst+LStp
反向位移时：L＝LOri+LSecond+|LSecond-LStp|
⑧.终止点在8区段时
正向位移时：L＝d-(LOri+LStp)
反向位移时：L＝LOri+LStp
当起始点在其它区段时，也有类似的计算公式，不一一列出。
起始点和终止点取两路归一化数据中较小的一个，使细分可以避开信号线性度较差的区段；在计算不足一个信号周期的位移时采用查表法，可以有效克服信号的非线性带来的细分误差。
6.大数计数值的修正
上述大数计数在某些情况下会出现多计数的情况，例如对于正向移动，若起始点在的1或8段，而终止点在2或3段，就会多计一个数；若起始点在1或8段，而终止点在6或7段，就会多计两个数。因此必须对大数计数值进行相应的修正。对于正向移动，根据起始点和终止点位置的不同有64中情况需要考虑；同理，对于反向移动，也存在64种情况需要考虑。经过仔细分析，我们给出了信号正、反向移动时用于修正计数值的“卡诺图”，如表2和表3所示。
表2 信号正向移动时修正计数值的“卡诺图”
注：表1中“计数值减1”，用“1”表示；“计数值减2”，用“2”表示；对奇数段“起始点幅值＞终止点幅值，计数值减2；对偶数段“起始点幅值＜终止点幅值，计数值减2；否则不减”，用“-”表示；若“不修正计数值”，用“X”表示。
表3 信号负向移动时修正计数值的“卡诺图”
注：表2中“计数值减1”，用“1”表示；“计数值减2”，用“2”表示；对奇数段“起始点幅值＜结束点幅值，计数值减2；对偶数段“起始点幅值＞终止点幅值，计数值减2，否则不减”否则不减”，用“-”表示；若“不修正计数值”，用“X”表示。
7.莫尔(干涉)条纹位移的辨向
若大数计数值不为0，则由计数值的正负确定位移方向。计数值为正，位移为正向；计数值为负，位移为负向。
大数计数值为0时，位移方向由测量起始点和终止点所处的区段进行判断，如表4所示。若起始点与终止点处在同一区段，位移方向根据信号的单调性进行判断。
表4 大数计数为零时位移方向的判断
注：表4中“+”，表示正向位移；“-”，表示反向位移
根据起始点和终止点所在的区段，结合交点I和交点II，计算出不足一个信号周期的位移值L；若修正后的大数计数结果N，则当前总的测量位移值L总的计算公式为
L总＝N·d/2+L
本发明根据上述方法所设计的装置如图2所示，它由运算放大器1、2，模数转换芯片3、4，数字信号处理器5，单片机6，译码器7，液晶显示器8，40M时钟9等构成。其中运算放大器1、2分别与模数转换芯片3、4相连，模数转换芯片3、4为AD9225，它的最高采样速率可达20M/s，它们皆与信号处理器5相接；数字信号处理器5为本发明装置核心部件，其运算速度高达80MHz，它同时与单片机6和译码器7相联；单片机6又与液晶显示器8相接，实时显示测量结果。
当两路具有一定位相差的莫尔(干涉)条纹光电信号Sin1、Sin2通过运算放大器1、2之后，被送入模数转换芯片3、4，在数字信号处理器5的控制下同步模数转换，转换频率为5M/s。数字信号处理器5在接收到串行中断信号后，调用中断处理子程序获取两路信号的采样数据。数字信号处理器5对采样数据进行上述处理和判断，计算出当前采样点所在的区段和幅值，并跟踪两路信号峰值和谷值，跟踪交点I和交点II的幅值。单片机6通过内部直接存储器访问(IDMA)方式获取数字信号处理器5计算后的数据，通过查表的方式得到测量起始点、终止点、交点I和交点II幅值所对应的位移值，进行辨向，计算由测量起始点和当前采样点构成的不足一个信号周期的位移值，并对大数计数值进行修正，最后将总的位移值及位移方向送往液晶显示。由于硬件上采用了高速模数转换芯片3、4和数字信号处理器5，系统的动态范围很宽，可从0Hz-500KHz。该装置的最高数据输出可达40k/s，完全可以满足机械加工中高速测试的需要。
另外，根据要求的细分倍数和选用的模数转换芯片(ADC)位数的不同，该计数细分方法可正确处理的两路信号位相差极限是不同的，如表5所示。若两路信号的位相差超出该极限值，则受信号非线性的影响较严重，不能实现所要求的分辨率。
表5 细分倍数和ADC位数决定的两路信号的位相差极限
如果要求较高的细分倍数(如2000倍)，同时又要能够处理两路信号大范围偏离正交状态(如两路信号位相差为1°)时的情况，就要选用14bit以上的ADC。但是，对于实际莫尔条纹信号，通过调整光路，一般都可以保证两路信号位相差在90°±60°以内，所以完全可以选用低位数的模数转换芯片而不受信号非线性影响。
经过实际测试，本发明装置在采用10Bit模数转换器和细分倍数为1000的条件下，对两路位相差为20°的信号可以正确地辨向、计数和细分，完全可以满足莫尔条纹测试的需要。
本发明通过对两路输入信号的交点进行动态跟踪，根据信号采样点所处的区段进行辨向、计数和细分，可同时消除信号直流电平漂移、两路信号幅值不等、两路信号不正交以及信号的非线性对计数和细分的影响，并可处理轴向震动位移信号，具有更强的环境适应性和抗干扰能力。