基于光柵傳感器位移測量的方案設計

　　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、坐標測量、精確定位、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。光柵測量技術(shù)是以光柵相對移動(dòng)所形成的莫爾條紋信號為基礎的，對此信號進(jìn)行一系列的處理，即可獲得光柵相對移動(dòng)的位移量。將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結合，進(jìn)行線(xiàn)性位移量的測量，以實(shí)現較高的測量精度。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碾娦盘枺ń普倚盘枺?，采用邏輯辨向電路區別位移的正反向，利用單片機進(jìn)行數據處理并顯示結果。軟件采用匯編語(yǔ)言實(shí)現。

　　1　硬件電路

　　本設計的硬件電路主要由單片機89C51、計數器8253、細分與辨向電路、信號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)系統的作用是形成莫爾條紋；光電接受系統。光電接受系統是由光敏元件組成，他將莫爾條紋的光學(xué)信號轉換成電信號，本系統采用的光敏元件是4個(gè)硅光電池。

　　1.2　信號變換電路

　　信號變換就是將由光敏元件輸出的正弦電信號轉換成方波信號。本文中采用的比較器LM339，來(lái)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)比較器的負輸入端分別預制一定的參考電壓，該參考電壓應使光柵輸出的方波的高、低電平寬度一樣。

　　1.3　細分與辨向電路

　　1.3.1　細分電路

　　為記錄光柵上移過(guò)的條紋數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(lái)接收莫爾條紋信號。調整莫爾條紋的寬度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，即進(jìn)行4倍細分。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。為了辨別標尺光柵位移的方向，僅靠一個(gè)光敏元件輸出一個(gè)信號是不行的。必須有2個(gè)以上的信號根據他們的相位不同來(lái)判斷位移方向。因此，本設計采用的是4個(gè)硅光電池來(lái)接收莫爾條紋信號，則輸出的4路信號在相位上依次相差90°，利用這種特點(diǎn)設計的辨向電路的如圖3所示。圖中u1，u2和u3，u4分別通過(guò)相同的電路實(shí)現對位移方向的區別。當莫爾條紋上移時(shí)（假設經(jīng)過(guò)硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號，u3，u4無(wú)信號），則圖中A點(diǎn)有計數脈沖，B點(diǎn)為恒定電平；當莫爾條紋下移時(shí)（假設經(jīng)過(guò)硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號，u3，u4無(wú)信號），則圖中B點(diǎn)有計數脈沖，A點(diǎn)為恒定電平。用2個(gè)不同計數器分別記錄上移和下移所形成的脈沖數，即可實(shí)現辨向。

　　1.4　LED顯示

　　本文采用動(dòng)態(tài)4位顯示。第1位為符號為，莫爾條紋上移為正，下移為負；第2，3位為整數位；第4位為小數位。將所有的段選線(xiàn)并聯(lián)在一起，由單片機的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、數據處理和顯示子程序組成。

　　采集子程序完成對計數值的讀入和轉化；數據處理子程序完成對采集數據的線(xiàn)形化處理；顯示子程序對結果進(jìn)行循環(huán)顯示。程序的流程如圖4所示。

　　3　結　語(yǔ)

　　本文中，設計的硬件采用比較器LM339把光敏器件輸出信號轉換成方波信號，采用邏輯辨向電路，對光柵的正向、反向移動(dòng)做準確的判斷；采用8253的2個(gè)計數器分別對正反兩路信號進(jìn)行計數，然后，用89C51進(jìn)行數據處理，送到顯示器顯示。硬件結構簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、精度比較高；軟件采用匯編語(yǔ)言實(shí)現，程序簡(jiǎn)單、可讀性強、效率高。