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体积 2021 |文章的ID 6669539 | https://doi.org/10.1155/2021/6669539

孙斌,宋俊芳,郑刚,张雄星 基于过零相位检测算法的调频连续波位移传感器应用研究”,国际光学杂志 卷。2021 文章的ID6669539 9 页面 2021 https://doi.org/10.1155/2021/6669539

基于过零相位检测算法的调频连续波位移传感器应用研究

学术编辑器:Stefan Wabnitz
收到了 10月18日
修改后的 2021年2月23日
接受 2021年3月04日
发表 2021年3月22日

摘要

调频连续波干涉(FMCW)是一种新型激光干涉测量技术,具有长度可追溯、测量范围大、精度高、结构简单、光纤传输等优点。基于FMCW激光干涉位移计算公式,提出了一种过零相位检测算法,该算法能准确计算出余弦信号在调制周期内的初始相位,并成功应用于接触式激光干涉位移传感器。实验结果表明,基于过零相位检测算法的FMCW技术可以达到接触式位移传感器的技术指标,测量范围大于15 mm,标准偏差小于0.01μm.非接触测量向接触测量的转换,可以实现生产线上表面条件复杂的工件的直接测量,突破了光学测量的局限,拓展了光纤干涉测量的应用。

1.简介

随着现代技术和工业的快速发展,大型机械加工、装备制造等诸多领域对零件尺寸测量精度提出了更高的要求。这些测量通常需要大体积的工件测量、现场测量和困难条件下的测量。激光测距技术具有测量精度高、工作距离远、抗干扰能力强等优点,可以满足工业科学研究对其他领域测距技术的要求。激光测距技术的出现和广泛应用解决了传统测量技术无法解决的问题,因此激光测量技术的研究和应用非常重要。调频连续波(FMCW)激光测距系统是一种发展迅速、应用广泛的非接触激光干涉位移测量技术[1- - - - - -3.].具有测量精度高、工作距离远等优点。FMCW激光测距技术结合了干涉测距技术和脉冲测距技术的优点,既保证了测量距离足够远,又保证了测距精度高。与其他激光测距方法相比,FMCW干涉法获得的干扰信号是随时间变化的动态信号,具有较强的抗干扰能力。FMCW干涉采用成本较低、结构简单的DFB半导体激光器,在大规模高精度测量中具有广阔的发展前景[4- - - - - -6].

Iiyama [7]在FMCW系统中引入了一个包含参考干涉仪和相位比较器的光电负反馈回路,对激光频率进行非线性校正。测距系统的空间分辨率由12 mm提高到1.3 mm。施耐德(8]采用校准干扰信号补偿激光调频非线性;测距精度为0.5 mm。郑杰[9]对FMCW理论进行了深入研究,并取得了一系列成果[10- - - - - -12].Kakuma [13]利用参考干涉仪构建了FMCW干涉系统,分别对两个垂直腔面发射激光器在相反的扫描方向进行光学调频,并通过对两个拍频信号的相移进行平均来消除偏置误差。当目标运动为0.37 mm时,测量误差由0.69 mm减小到0.018 mm。美国国家标准与技术协会鲍曼[14]在实验室建立了一套光学频率梳校正FMCW雷达测距系统,实现了对直径为75的仙人掌的扫描测量μM在4 M以内,其中测量精度达到亚微米级。马特奥和巴伯[15],蒙大拿州大学的研究人员基于FMCW激光测距原理,采用三面测量方法,以1.5米的距离扫描了多个不同形状的加工铝板,重复精度约为100必威2490μm.目前高精度FMCW测距技术需要协同目标,这极大地限制了零件检测在生产现场的应用。

光学干涉测量技术具有高速、高精度、非接触、抗电磁干扰、测量范围广等优点;当然,它也有其应用局限性。例如,对待测工件表面质量有要求:应无铁屑、无油膜、无粗糙度,或表面过于光滑;被测面角不能太大;由于空气扰动替代误差大等原因,使得光学测量的应用仅限于生产线上工件的测量。然后结合接触测量和非接触测量的特点,将光学系统改造为接触测量,可以充分发挥光学测量精度高、范围大的优点。利用接触测量的优点,可以扩大光学测量的应用范围。例如刚从机床上完成的工件表面有油膜和铁屑,接触法可以很容易地实现直接测量。加工制造现场环境复杂,该方法可有效防止电磁干扰,避免空气干扰。自由曲面和异形曲面零件的表面倾角变化较大,也可用接触法直接检测。 Therefore, this method has certain application advantages and is worth popularizing.

2.FMCW测距的基本原理

FMCW激光测距系统是一种利用调频激光作为信号载体,获取目标物体的距离和速度信息的测距系统。在该系统中,光学频率由激光线性调制,目标距离引起的时间延迟以干扰信号拍频的形式反映出来。拍频产生的差频信号与待测距离成正比,利用这个关系计算待测目标的距离。

如图所示1时,DFB激光器产生的LFM激光经过准直透镜后分为两束,其中一束为参考光束。经准直镜中的参考镜反射后,通过环行器进入光电探测器。另一种是测量光束,经测量目标镜反射后,与光电探测器上的参考光束发生干涉,产生动态拍信号。通过对拍频信号进行频率和相位解调,可以计算出被测距离。根据电磁学理论,光波是一种振动电磁场的传播。如果点光源的电磁场以单一频率沿固定方向振动,则振动电场为Et)可表示为[16 在哪里 是振幅, 是相位, 是时间, 是初始阶段, 是时间频率, 是时间周期,和 是时间角频率。

因此,测量光束的信号 参考光束 在时域中可以表示为:

那么,两束干涉产生的拍信号表示为

由于上述两种光波均来自同一相干FMCW光源,因此两种光波的初始相位是相关的。合成场的光强为 在哪里 节拍的平均强度是信号吗 拍的反差是信号吗 而且 是第二波(通常称为信号波)相对于第一波(通常称为参考波)的延迟时间。

在FMCW激光干涉中,激光源的调频可以是锯齿波、三角波和正弦波。本文以锯齿频率线性调制光源为例,分析了FMCW干涉测量的原理。调制后的激光源输出两束光,经过不同路径传播后,在空间的某一点发生干涉。两个相干光波和产生的拍信号的角频率波形可以描述为如图所示的曲线2,其中实线表示参考光的角频率,虚线表示信号光的角频率。

当这两波发生干涉时,干涉信号的光强 可以表示为 在哪里 而且 分别为参考波和信号波的强度, 节拍信号的平均强度,和 是拍信号的对比度。

由上式可知,参考波与信号波在一个调制周期内的OPD关系为: 在哪里 为光调频偏移, 是调制信号的频率, 是自由步伐中的光速, 是中心光波长,和 而且 是拍信号的频率和初始相位。

由式(7), OPD每改变一个波长,余弦信号的初始相位就会改变 节拍信号以一个周期变换。因此,OPD可以通过测量拍信号初始相位的变化量(相移)来计算。通常,计算的 采用周期计数法,连续记录并累计测量过程中相移的变化量,计算总相移量 在整个测量过程中。

3.基于过零法的相位算法

3.1.系统设计

如图所示3.FMCW激光干涉测量系统是基于Fabry Perot FMCW激光干涉仪的结构。光纤位移传感器由单模DFB半导体激光器、光纤环行器、光纤准直器、局部反射镜、全反射镜(待测物体)、光电探测器组成。DFB激光器发射频率线性调制的频率调制连续波激光器。激光通过光纤耦合到光循环器的输入端口1,并从光循环器的前向相邻端口2输出。输出光通过光纤入射到光纤准直器上,部分光通过偏镜被光纤准直器反射。作为参考光,部分光被传输到附着在被测量运动物体表面的全反射器上,作为信号光返回。信号光与参考光在光环行器的输出端口3上叠加干涉,形成拍信号。干涉光信号经光电二极管转换为电信号,经放大滤波电路处理,经stm32f407微处理器内置ad转换为数字信号。最后,利用鉴相算法对目标的相对位移进行了精确测量。

3.2.相位检测算法

根据公式(7)在第二节中,只要计算余弦信号在相邻两个调制周期之间的初始相位变化量,就可以计算出两个调制周期之间的位移变化量。因此,相位检测算法的主要目标是计算一个调制周期内余弦信号的初始相位。

数字4所示为FMCW干扰信号相位检测算法流程图。对拍频余弦信号进行幅度校正、软件滤波、极值搜索、零点定位,计算出干扰余弦信号的初始相位。在基于锯齿波的FMCW干扰信号中,部分波形具有不规则性,因此在数字相位检测过程中,取信号波形的规则部分进行处理。在实验中,每个调制周期的采样点数为3000,取500-2500点对应的信号作为有用信号。下面详细介绍相位检测算法的每一步。(1)幅度校正是对数字余弦信号幅度进行归一化处理。从图中可以看出5当调制电流线性变化时,干扰信号的幅值也线性变化;那么得到的余弦信号的振幅就会不一致。为了提高余弦信号的鉴相精度,需要对信号进行幅度归一化校正。幅度校正是对数字余弦信号幅度进行归一化处理。调制电流由arm处理器(STM32F407)中的DA控制。所得余弦信号的采样点除以对应的DA设定值即为输出余弦幅值的调整值。针对DFB激光器的阈值电流,校正时需要从阈值电流中减去DA设定值。(2)数字信号软件滤波:由于信号波在传输过程中受到多次干扰和运算放大,最终采集到的信号有噪声。为了准确地找到极值,需要用软件对数字余弦信号进行滤波,去除干扰。常用的滤波方法有有限幅值滤波、中值滤波和均值滤波。鉴于移动平均滤波的优点,不仅可以使余弦信号的相位保持不变,而且算法简单。本课题采用移动平均滤波方法对FMCW干扰信号进行去噪。数字6显示了对干扰余弦信号滤波后的效果。与图相比5,可以看出信号曲线上的毛刺明显减小,曲线平滑,滤波效果显著。(3)搜索极值:即寻找余弦信号的峰值(最大值)和低谷(最小值)的位置。实验采用判断单调性的方法寻找余弦信号的极值点:首先依次选取10个点,通过冒泡的方式搜索这10个点的最大值,确定选取这10个点所在区域的单调性;其次,依次选取10个点,通过冒泡的方式继续寻找这20个点的最大值,然后判断第二次选取这10个点所在区域的单调性。如果第一次单调性是递减的,第二次单调性是递增的,那么这20个点中的最小值就是最小值。反之,如果第一次确定单调性增大,第二次确定单调性减小,则20个点的最大值为最大值。如果对整个干扰余弦信号进行如上所述的遍历,可以找到干扰信号的所有极值点。数字7显示了极值查找算法得到的最大值和最小值。由于DFB激光器激发特性的限制,干扰信号在调制周期两端具有不规则性。在寻找极值时,需要从整个周期的正则余弦信号中找到极值。从图中可以看出7,该算法能准确地找到一个调制周期内余弦信号中的5个最大值和最小值。(4)零点定位:通过对干扰余弦信号的最大值和最小值进行线性拟合来定位零坐标。首先,从极值计算余弦信号对应的幅值和偏移量。如果它在余弦信号的下降沿上,则从最小值向后看与上限对应的坐标值,反之亦然。一旦确定了上下限的值和对应的坐标,就可以通过线性拟合计算所需的斜率K和偏移量B。最后,利用拟合方程求解并确定零点的位置。

如图所示8,绿色点为余弦信号的确定零点。余弦信号的周期和相位可以根据零坐标值和三角函数来确定。通过与前一个调制周期得到的零点相位相比较,可以计算出两个调制周期零点相位的变化量。每个周期的相位和相变的计算方法相同,将相变累加得到整个驱替过程的相变。最后,利用公式(7),则可计算位移的变化。

4.应用与实验

4.1.接触式大量程位移传感器机械结构设计

随着制造业的不断发展,位移传感器在航空航天、超精密加工、测量等领域发挥着越来越重要的作用。它们主要用于精密加工中零件尺寸和表面形貌的测量,精密运动的位移测量等。接触式传感器可以通过接触或非接触测量,准确实现物体的微米级表面轮廓,因此在装备制造领域得到广泛应用。精密加工技术和生物技术的特征尺寸不断减小到亚微米级甚至纳米级精度,这对位移传感器提出了更高的要求。但电感式传感器的测量原理存在一定的测量误差,在绕组和零件加工工艺上难以保证较高的精度和一致性。测量值需要通过比较来传递,因此不能解决测量范围小、精度低、漂移大、稳定性差等常见问题。以德国Mahr公司的轴向电感传感器P2010M为例,如图所示9,最大测量范围为10mm(−5mm ~ + 5mm),线性偏差为20μm.因此难以满足大尺寸、高精度零件检测的要求。

课题组针对接触电感传感器结构简单、安装方便的特点,创新开发了一种基于FMCW激光连续波调频技术的大量程、高精度接触位移传感器。该传感器结构紧凑,灵活,易于安装。在传感器腔内嵌入合作目标的激光干涉测量技术,取代了非合作目标技术,降低了光学系统的难度和成本。通过将非接触测量转化为接触测量,实现了对零件表面轮廓的直接检测,拓展了激光干涉测量协同目标的应用,有效解决了工业领域大规模高精度测量的难题。

接触式激光干涉位移传感器结构如图所示10.测量杆通过轴套中的滑动副移动。在保证装配精度的情况下,测量杆的径向间隙小于1μm.反光镜放置在测量杆前端。激光准直器固定安装在传感器的尾部。激光束通过空心测量杆和反射器形成测量干涉腔。通过调整上下限,可以调整传感器的测量范围。传感器探头与测量杆刚性连接,并会随着被测部分轮廓的变化而变化,使反射面随着测量杆运动,形成变化的干涉腔。激光干涉信号通过光尾光纤发送到测量处理电路,经ARM处理器采样计算,从而实现精确的位移测量。

4.2.实验

如图所示11,接触式激光干涉位移传感器安装在精密参考基准平台上。基于STM32F407微处理器的下位机,将FMCW通过光纤传输给位移传感器,接收拍信号并转换为数字信号。对数字信号进行幅度校正、放大、滤波,依次搜索极值和零点定位后,计算干涉余弦信号的初始相位,然后由公式(6).上位机通过串口实时采集、显示和保存测量数据。基于VC的软件还能实时显示测量曲线。

实验中使用精密基准平台行程(BCT-5C)和0级量块对传感器的测量范围进行线性验证。如图所示6,上位机对曲线进行采样拟合,得到图6(b)表示传感器的线性范围<15 mm。为了验证位移传感器的不确定性和稳定性,在恒温恒湿的实验环境中,通过0级量块将位移传感器放置在12mm的位置。为了便于分析,将传感器显示值设为零,同时进行连续采样。数字12(一个)为对应位置样本的散点图,图12 (b)为对应的正态曲线分布。经计算,正态分布曲线的标准差为8.9 nm。

5.结论

基于FMCW原理,推导了FMCW的计算公式,设计了光学系统和数据采集电路,提出了一种带有过零相位检测算法的FMCW技术,并成功应用于接触激光干涉位移传感器。结果表明,该激光干涉位移传感器的性能比现有的电感式位移传感器提高了一个数量级,满足了装备制造领域对大尺寸部件的高精度检测要求。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从通讯作者处获得。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

致谢

本文由国家自然科学基金项目(62041305)和西藏自然科学基金项目(62041305)资助。XZ202001ZR0065G。

参考文献

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