基于光柵傳感器位移測量的軟、硬件設(shè)計(jì)

    光柵作為精密測量的一種工具，由于他本身具有的優(yōu)點(diǎn)，已在精密儀器、坐標(biāo)測量、精確定位、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1，2］。光柵測量技術(shù)是以光柵相對(duì)移動(dòng)所形成的莫爾條紋信號(hào)為基礎(chǔ)的，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，即可獲得光柵相對(duì)移動(dòng)的位移量［3］。將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行線性位移量的測量，以實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。本文采用光柵作為傳感元件，經(jīng)接收元件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?hào)（近似正弦信號(hào)），采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反向，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果。軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。

1　硬件電路

　　本設(shè)計(jì)的硬件電路主要由單片機(jī)89C51、計(jì)數(shù)器8253、細(xì)分與辨向電路、信號(hào)變換電路和光柵位移傳感器組成。如圖1所示。

1．1　光柵位移傳感器

    光柵位移傳感器包括以下幾部分：光柵；光柵光學(xué)組成。光柵光學(xué)系統(tǒng)的作用是形成莫爾條紋；光電接受系統(tǒng)。光電接受系統(tǒng)是由光敏元件組成，他將莫爾條紋的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，本系統(tǒng)采用的光敏元件是4個(gè)硅光電池。

1．2　信號(hào)變換電路

　　信號(hào)變換就是將由光敏元件輸出的正弦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。本文中采用的比較器LM339，來自光柵的莫爾條紋照到光敏元件硅光電池上，他們所輸出的電信號(hào)加到LM339的2個(gè)比較器的正輸入端上，而在這2個(gè)比較器的負(fù)輸入端分別預(yù)制一定的參考電壓，該參考電壓應(yīng)使光柵輸出的方波的高、低電平寬度一樣。

1．3　細(xì)分與辨向電路

1．3．1　細(xì)分電路

　　為記錄光柵上移過的條紋數(shù)目和判斷光柵的移動(dòng)率等，傳感器中采用4極硅光電池來接收莫爾條紋信號(hào)。調(diào)整莫爾條紋的寬度B，使他正好與4個(gè)硅光電池的寬度相同。則可直接獲得在相位上依次相差90°的4路信號(hào)，即進(jìn)行4倍細(xì)分。如圖2所示。

1．3．2　辨向電路

　　位移除了有大小的屬性外，還具有方向的屬性。為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，僅靠一個(gè)光敏元件輸出一個(gè)信號(hào)是不行的。必須有2個(gè)以上的信號(hào)根據(jù)他們的相位不同來判斷位移方向。因此，本設(shè)計(jì)采用的是4個(gè)硅光電池來接收莫爾條紋信號(hào)，則輸出的4路信號(hào)在相位上依次相差90°，利用這種特點(diǎn)設(shè)計(jì)的辨向電路的如圖3所示。圖中u1，u2和u3，u4分別通過相同的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)位移方向的區(qū)別。當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號(hào)，u3，u4無信號(hào)），則圖中A點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，B點(diǎn)為恒定電平；當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號(hào)，u3，u4無信號(hào)），則圖中B點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，A點(diǎn)為恒定電平。用2個(gè)不同計(jì)數(shù)器分別記錄上移和下移所形成的脈沖數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)辨向。

1．4　LED顯示

    本文采用動(dòng)態(tài)4位顯示。第1位為符號(hào)為，莫爾條紋上移為正，下移為負(fù)；第2，3位為整數(shù)位；第4位為小數(shù)位。將所有的段選線并聯(lián)在一起，由單片機(jī)的P1口控制，而共陰極公共端分別由P3．0，P3．1，P3．2，P3．3控制，實(shí)現(xiàn)各位分時(shí)選通。

2　軟件部分

　　軟件部分主要有采集子程序、數(shù)據(jù)處理和顯示子程序組成［4］。

    采集子程序完成對(duì)計(jì)數(shù)值的讀入和轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)處理子程序完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的線形化處理；顯示子程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行循環(huán)顯示。程序的流程如圖4所示。

3　結(jié)　語

　　本文中，設(shè)計(jì)的硬件采用比較器LM339把光敏器件輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，采用邏輯辨向電路，對(duì)光柵的正向、反向移動(dòng)做準(zhǔn)確的判斷；采用8253的2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)正反兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后，用89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，送到顯示器顯示。硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、精度比較高；軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，程序簡單、可讀性強(qiáng)、效率高。

參考文獻(xiàn)
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［3］李懷瓊，陳錢．新型光柵信號(hào)數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析［J］．電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2001，15（3）．
［4］余永權(quán)．ATMLE89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．