检测与转换技术课程设计-----光栅位移传感器

检测与转换技术课程设计-----光栅位移传感器内容摘要：

22 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 22光栅输出信号波形图 6 3 各部分电路设计 数字滤波电路 通过多次实验发现，光栅传感器输出的信号虽然经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时，仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性 ，降低整个测试系统的精度。 为了消除噪声信号，在 CPLD内部设计了一数字滤波电路模块米滤除抖动脉冲，防止计数器误计数。 图31是数字滤波电路图。 图 31 滤波电路 辨向、细分与 四倍频 电路原理 辨向原理 在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。 为了辨向，需要有 π/2 相位差的两个莫尔条纹信号。 如图 32，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 7 u01 超前 u0290 度，反向移动时 u02 超前 u0190 度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。 图 32 相位差 90度输出信号波形图 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 90186。 的电信号， 用反相器反相后就得到四个依次相差 90186。 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 90186。 的交流信 号，实现四倍频细分。 其二、电路细分。 电路细分有很多种方法，图 33 是最基本的一种二倍频细分电路。 图 3— 3 脉冲边沿检测器组成的二倍频电路 四倍频电路设计原理 光栅传感器输出两路相位相差为 90176。 的方波信号 A和 34所 8 示，用 A， B 两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置 .计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数． 图 3— 4 光栅传感器输出信号示意图 光栅信号 A， B 有以下关系． 当光栅正向移动时，光栅输出的 A相信号的相位超前 B相 90176。 ，则在一个周期内，两相信号共有 4 次相对变化： 00→10→11→01→00 ．这样 ,如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数 ,一个周期内共可实现 4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数． 当光栅反向移动时，光栅输出的 A相信号的相位滞后于 B相信号 90176。 ，则一个周期内两相信号也有 4次相对变化： 00→01→11→10→00 ．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现 4次减计数，就实现了反转 状态的四倍频计数． 当线路受到干扰或出现故障时 ,可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作． 综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图 (见图 35)，其中 “+” 、“ ” 分别表示计数器加／减 1,“0” 表示计数器不动作． 9 图 3— 5 处理模块状态转换图 辨向与细分电路设计 传统模拟细分电路 传统的倍频计数电路如图 36 所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路 3 部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器 LM339 组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管 Ta 和 Tb上，它们输出的电信号加到 LM339 的 2个比较器的正输入端上，从 LM339 输出电压信号 Ua,Ub 整形后送到辨向电路中．芯片 7495 的数据输入端 Dl接收Ua， D0 接收 Ub，接收脉冲由单片机的 ALE 端提供．然后信号经过与门 Y1,Y2 和或门 E1， E2， E3组成的电路后，送到由 2片 74193 串联组成的 8 位计数器．单片机通过 P1 口接收 74193 输出的 8位数据，从而得到光栅的位置． 10 图 3— 6 基于传统方案设计的四倍频及辨向电路 采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降． 基于 CPLD 实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计 采用 CPLD 实现光栅传感器信号的处理示意图如图 37所示，即将图3 中 3 个部分的模拟逻辑电路。