基于光栅传感器位移测量的设计

光栅传感器位移测量的硬件设计

摘要：光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。

本文主要阐述其硬件电路的设计与组成。主要包括光栅位移传感器，信号变换电路，细分与辨向电路及LED 显示。

关键字：光栅位移传感器，细分，辨向

1. 硬件原理图

本设计光栅传感器位移测量系统主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。

1．1 光栅位移传感器

光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。

由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图2所示

图2 光栅

用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。

光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W

如果把两块栅距W 相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ

时，这时

光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。如图3所示。

图3 莫尔条纹

莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图3中d －d 线区所示。

图3中f －f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。

莫尔条纹有两个重要的特性：

(1) 当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动。 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。

(2) 莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W 时，莫尔条纹移动一个条纹间距B 。

当两个等距光栅的栅间夹角θ较小时，主光栅移动一个栅距W ，莫尔条纹移动KW 距离，K 为莫尔条纹的放大系数：

条纹间距与栅距的关系为 ：

当θ角较小时，例如θ=30′，则K =115

，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量。

如图4所示，光栅位移传感器由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。 K =B /W ≈B =W

图4 光栅位移传感器

主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图5，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x 的函数。每当x 变化一个光栅栅距W ，信号就变化一个周期，信号由b 点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b 点状态 完全一样，只是在相位上增加了2π。由图5可得光电信号为

u0=U平均+Umsin(π/2+2πX/W)

式中u0—光电元件输出的电压信号；

U 平均—输出信号的直流分量；

Um —输出信号中正弦交流分量的幅值。

从公式中可见，当光栅位移一个节距W ，波形变化一周。这时相应条纹移动一个条纹宽度B 。因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N ，就可知道光栅的位移X 即X=NW

图5 光栅输出信号波形图

1．2 信号变换电路

信号变换就是将由光敏元件输出的正弦电信号转换成方波信号。本文中采用的比较器LM339，来自光栅的莫尔条纹照到光敏元件硅光电池上，他们所输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，而在这2个比较器的负输入端分别预制一定的参考电压，该参考电压应使光栅输出的方波的高、低电平宽度一样。

1．3 细分与辨向电路

1．3．1 细分电路

细分技术随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内， 发出若干个脉冲，以减少脉冲当量。如一个周期内发出n 个脉冲，则可使测量精度提高n 倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍，因此也称n 倍频。通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差90º的电信号， 用反相器反相后就得到四个依次相差90º的交流信号。同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90º的交流信号，实现四倍频细分。本设计为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，传感器中采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B ，使它正好与4个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90°的4路信号，即进行4倍细分。如6图所示。

图6 细分原理图

其二、电路细分。电路细分有很多种方法，图3是最基本的一种二倍频细分电路（4）。

1．3．2 辨向电路

位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。为了辨向，需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号。如图7，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号u01和u02，经过整形后得到两

个方波信号u01’和u02’。光栅正向移动时u01超前u02 90度，反向移动时u02超前u01 90度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。

图7 相位差π/2输出信号波形图

本设计采用的是4个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的4路信号在相位上依次相差90°，利用这种特点设计的辨向电路的如图8所示。图中u1，u2和u3，u4分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。当莫尔条纹上移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中A 点有计数脉冲，B 点为恒定电平；当莫尔条纹下移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中B 点有计数脉冲，A 点为恒定电平。用2个不同计数器分别记录上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。

图8 辨向电路原理图

1．4 LED 显示

本文采用动态4位显示。第1位为符号为，莫尔条纹上移为正，下移为负；第2，3位为整数位；第4位为小数位。将所有的段选线并联在一起，由单片机的P1口控制，而共阴极公共端分别由P3．0，P3．1，P3．2，P3．3控制，实现各位分时选通。

2 结 语

本文中，设计的硬件采用比较器LM339把光敏器件输出信号转换成方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正向、反向移动做准确的判断；采用8253的2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用89C51进行数据处理，送到显示器显示。硬件结构简单、成本低、工作可靠、精度比较高。

参考文献

［1］刘克非，张春林，等．光栅位移传感器在凸轮轮廓测线中的运用［J ］．传感器技术，2002，（21）．

［2］李殿奎．光栅计量技术［M ］．北京：中国计量出版社，1987．

［3］李怀琼，陈钱．新型光栅信号数字细分技术及其误差分析［J ］．电子测量与仪器学报，2001，15（3）．

［4］余永权．ATMLE89系列单片机应用技术［M ］．北京：北京航空航天大学出版社，2002．