光電式坐標傳感器的設計

引言

小區域坐標測量技術(shù)有著(zhù)重要的工程應用價(jià)值，坐標傳感器是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，采用光電元件設計是因為以其高精度、高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍，利用光敏元件上的光電流隨光強變動(dòng)而變化這一現象實(shí)現幾何增量，設計成光電傳感器，可廣泛地應用于靜態(tài)測量、動(dòng)態(tài)測量及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。為了滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，小區域坐標測量技術(shù)正逐步受到重視，但是目前關(guān)于傳感器應用的文獻中，對此方面論述的不多。本文就傳感器的工作原理、電路設計、及其應用和檢測信息的處理方法進(jìn)行了論述。

1、光電傳感器工作原理

光電傳感器的基本轉換原理是將被測量參數轉換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉換成電信號的輸出。常用的光電傳感器是采用發(fā)光二極管作為光源，光源經(jīng)過(guò)透鏡聚焦于空間某一點(diǎn)。如果在該點(diǎn)有障

礙物，光就照不到光敏二極管上，電路處于偏置狀態(tài)，PN結截止，反向電流很小。當沒(méi)有障礙物遮擋時(shí)，光照到光敏二極管上時(shí)，PN結附近產(chǎn)生電子——空穴對，并在外.電場(chǎng)和內電場(chǎng)的共同作用下，漂移過(guò)PN結，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導通狀態(tài)。

具體方法是在光源側使用發(fā)光二極管，在受光側使用光敏二極管，并將信號處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點(diǎn)是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMLS電路芯片連接。

2、光電傳感器測量位移和方向的工作原理

2.1傳感器的結構設計

如果將被測旋轉圓盤(pán)置于光電斷續器的發(fā)光與受光側之間，圓盤(pán)上有許多狹縫，圓盤(pán)旋轉，光源發(fā)出的光間隔地被狹縫遮擋，受光側得到斷續的強光和弱光信號。如圖1所示，若旋轉圓盤(pán)沒(méi)有旋轉，光路檢測的光束沒(méi)有被遮擋，測量電路中，X光敏二極管上輸出電壓波形，Y光敏二極管上的輸出電壓波形是相同的，相位是相差π/2的。若圓盤(pán)旋轉，雙輸出型的輸出電壓波形如圖2所示，（僅畫(huà)出Q1的時(shí)序圖，Q2的時(shí)序圖道理一樣）圓盤(pán)轉動(dòng)方向若向左，Q2輸出電壓相位落后被屏蔽；反之，圓盤(pán)向右旋轉，Q1輸出電壓相位超落后被屏蔽。因此，兩個(gè)輸出電壓的相位關(guān)系反映圓盤(pán)的旋轉方向，圓盤(pán)的位移可以通過(guò)Q1，Q2輸出脈沖個(gè)數的代數和得到。

圖1

圖2

2.2傳感器的電路設計

X光敏二極管與Y光敏二極管在相位上相差π/2，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差π/2。當圓盤(pán)作正向轉動(dòng)時(shí)，X信號超前Y信號。因為電路比較復雜，采用美國Lattice半導體公司推出的ispEXPXRT軟件對CPLD器件進(jìn)行硬件編程，如圖3所示電路圖是基于CPLD設計的?；蜷T(mén)C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q1的置位端只許X產(chǎn)生的正脈沖通過(guò)，而D鎖存器Q2因為C1作用時(shí)Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門(mén)電路在加減計數器中作加法運算。當圓盤(pán)作反方向轉動(dòng)時(shí)，則Y產(chǎn)生的負值信號超前X產(chǎn)生的信號，或門(mén)C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q2的置位端只讓Y產(chǎn)生的負脈沖通過(guò)，而D鎖存器Q1因為C1作用時(shí)X信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q1輸出低電平，門(mén)電路在可逆計數器中作減法運算。這樣就完成了辨向過(guò)程。OUT0是輸出，OUT1是進(jìn)位，Z是控制端輸入。工作原理圖如圖4所示。

圖3

圖4

3、光電式坐標傳感器的結構設計及坐標算法

3.1結構設計

在實(shí)際的設計過(guò)程中，首先根據需要設計傳感器的測量精度及范圍。精度可以通過(guò)計算圓盤(pán)上的狹縫密度完成，傳感器圓盤(pán)的形狀及尺寸大小由測量范圍來(lái)確定，整個(gè)傳感器系統結構框圖如圖5所示。

圖5

測量結構如圖6所示，由四個(gè)光敏二極管(元件1、2、4、6)、兩個(gè)光源（發(fā)光二極管3、5）、位移圓盤(pán)7、方向圓盤(pán)9及傳動(dòng)軸8組成。將傳感器垂直配置，分別代表位移z和Φ移動(dòng)方向，組成一個(gè)二維傳感器。

圖6

3.2坐標算法

當被測物坐標發(fā)生時(shí)，圓盤(pán)7轉動(dòng)，光敏二極管4和光敏二極管6通道的信號發(fā)生變化，通過(guò)接口電路自動(dòng)傳輸到計算機里，計算機自動(dòng)對輸入通道的信號進(jìn)行數據采集。如果前進(jìn)或者后退的角度發(fā)生變化，位移圓盤(pán)9角度也隨著(zhù)發(fā)生變化，通過(guò)傳動(dòng)軸轉動(dòng)帶動(dòng)方向圓盤(pán)產(chǎn)生轉動(dòng)，使得圓盤(pán)9上的狹縫通斷光敏二極管上的光照，發(fā)出與前進(jìn)或后退相應的電脈沖信號，通過(guò)接口電路自動(dòng)傳輸到計算機里，對輸入通道的信號進(jìn)行數據采集。并將采集的數據進(jìn)行儲存，形成數據庫，以備計算機通過(guò)數據計算確定自身的坐標位置，并通過(guò)相應接口進(jìn)行數據輸出。相對坐標XN、YN計算公式如下：

XN=Z*cosYN=Z*sin

為了確保測量精度，計算機的采樣時(shí)間不能太大，應該接近光電傳感器的反映時(shí)間，最好同步，或者成倍數關(guān)系。

3.3坐標與電壓的轉換

根據光——電轉換原理，輸出的電壓變化規律也正好是周期變化，變化的靈敏度與狹縫之間的距離有關(guān)，狹縫之間的距離可以根據需要加工，但受到工藝和技術(shù)水平的限制，也可以通過(guò)計算機特性補償得到。

3.4輸入信號的線(xiàn)性化處理

若輸入與輸出量之間為直線(xiàn)性比例關(guān)系，稱(chēng)為線(xiàn)性關(guān)系。然而理想的線(xiàn)性關(guān)系的傳感器極少。為了實(shí)現其線(xiàn)性化可采用電子電路，也可以使用計算機的修正功能。

4、測試結果

將自行設計的傳感器，應用于足球機器人場(chǎng)地與球門(mén)的坐標位置測試，在1.000m×1.000m的平面場(chǎng)地上進(jìn)行測試，測量數據與實(shí)際數據比較如下：