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光栅莫尔条纹CCD细分技术研究

作　者: 孙明杰
导　师: 常丽
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 光栅莫尔条纹线阵CCD 全相位DFT FPGA
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

精密位移测量在工业生产中有着重要的作用,基于光栅莫尔条纹理论的位移测量由于其测量精度高、造价低等优点在精密位移测量中意义重大。光栅莫尔条纹信号为周期信号,为获得更高位移分辨力,需要对光栅莫尔条纹信号进行细分。目前对光栅莫尔条纹细分方法很多,主要是针对光栅尺输出的两路正余弦信号,由于实际的莫尔条纹信号存在着正交性误差、幅值波动误差、非恒定周期误差等不易实现高倍数细分。所以本文采用CCD对光栅莫尔条纹进行采集,对条纹信号细分处理采用全相位DFT算法。CCD图像传感器一次图像采集可以获得完整周期莫尔条纹信号,根据两次测量条纹信号相位差获得位移值。采集莫尔条纹信号的幅值波动可以通过信号处理方法弥补,一路信号就可实现细分和辨向,不存在非恒定周期问题等。CCD对莫尔条纹采集相当于对模拟信号采样,给条纹数字信号细分处理奠定了基础,全相位DFT算法具有相位不变性、频谱泄漏小,通过和传统DFT仿真对比,全相位DFT算法在非整周期采样时相位差的计算精度高,在不同初相条纹信号初相值求取中误差小,有利于实现莫尔条纹相位差的高精度计算。设计采用TCD1501C型号线阵CCD图像传感器,采用AD9816转换器对CCD输出信号进行转换。CCD和AD驱动时序由FPGA产生,全相位DFT算法完全在FPGA内实现,谱线复数值转换为相位值采用了CORDIC反正切算法,全相位DFT算法和CORDIC反正切算法共延迟26个时钟周期即可以输出结果。采用栅距为20μm的光栅位移传感器,可以实现莫尔条纹信号400细分,分辨力达到50nm。系统具有集成度高、可靠性高等特点,具有一定应用价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 课题的背景和意义  10
  1.2 国内外发展现状  10-11
  1.3 本文的主要工作  11-13
第二章莫尔条纹测量原理  13-21
  2.1 莫尔条纹的形成  13
  2.2 莫尔条纹的信号模型  13-19
    2.2.1 矩形光栅函数  13-15
    2.2.2 横向莫尔条纹函数  15-19
  2.3 莫尔条纹测量长度原理  19-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章方案论证  21-39
  3.1 莫尔条纹细分方法  21-26
    3.1.1 移相电阻链细分方法  21-22
    3.1.2 幅值细分法  22-25
    3.1.3 鉴相细分法  25-26
  3.2 莫尔条纹信号CCD 细分方法  26-28
  3.3 莫尔条纹信号细分处理方法  28-38
    3.3.1 全相位DFT 信号处理  29-33
    3.3.2 传统DFT 谱分析和全相位DFT 谱分析比较  33-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章系统硬件设计  39-55
  4.1 硬件总体设计  39-40
  4.2 CCD 电路设计  40-47
    4.2.1 CCD 工作原理  40-45
    4.2.2 CCD 驱动电路设计  45-47
  4.3 CDS 原理  47-49
  4.4 AD 转换电路  49-53
  4.5 FPGA 最小系统  53-54
  4.6 本章小结  54-55
第五章系统软件设计  55-77
  5.1 开发环境和硬件描述语言  55-56
  5.2 CCD 驱动设计  56-59
  5.3 AD 驱动和配置设计  59-62
  5.4 FIFO 模块设计  62-64
  5.5 全相位DFT 模块设计  64-68
  5.6 CORDIC 模块设计  68-74
  5.7 位移显示模块设计  74-76
  5.8 本章小结  76-77
第六章系统调试  77-81
  6.1 CCD 电路调试  77-79
  6.2 AD 电路调试  79-80
  6.3 本章小结  80-81
第七章结论  81-82
  7.1 结论  81
  7.2 展望  81-82
参考文献  82-85
在学研究成果  85-86
致谢  86

光栅莫尔条纹CCD细分技术研究

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