1 引言
光栅位移传感器是一种基于光栅莫尔条纹信息变换原理的模–数传感器[1],按光栅分类有长光栅和圆光栅两种,光栅位移传感器的结构如图1所示。
主要由光源、透镜、主光栅、指示光栅、狭缝、光电器件和变换电路等部件构成。光源可用钨灯、氙灯和半导体发光管,若采用光栅尺和小型编码器可选用半导体发光管;透镜起聚光作用,一般在高位数编码器中采用;由玻璃制作的主光栅和指示光栅构成一对光栅付,上面刻有黑白相间的刻线,黑白刻线的节距(宽度)根据使用要求而定,如长光栅节距有10μm、20μm、40μm不等;圆光栅的角节距有20"、40"、1’、2’、5’、10’不等;狭缝用于限定光电器件接收光栅信号的范围;光电器件可采用半导体光伏器件,如光电二极管、光电三极管或光电池[2];变换电路是将光电器件输出的电流信号变换成方波或正弦波电压信号输出,便于电子细分大于四时采用。
在结构上将光源、透镜、指示光栅、狭缝、光电器件和变换电路固定在一个刚体上,构成光电读数头,而主光栅是作为单独体;在安装上保证主光栅和指光栅平行,相互间隙约为0.1 mm且能相对位移。每当主光栅和指示光栅相对移动一个节距时,变换电路输出的电信号可由数显仪获得对应计数值。可见,光栅传感器是以节距为尺子来量度位移大小,换言之,节距也称为传感器的分辨率。
随着科学技术的进展,人们对于计量光栅的分辨率提出了越来越高的要求[7],但是,要提高光栅的固有分辨率,需对光栅的莫尔条纹作更细的划分,可采用光学细分,机械细分和电子细分等方法,电子细分法又有幅度调制型和相位调制型两种。
本文采用的计算法光栅细分是电子细分法中的一项创新技术,具有读数迅速,便于数据处理,适用于自动测量和控制过程中的动态测量,既能实现点位置控制,也可以实现连续轨迹控制。
2 计算法光栅细分原理[3,6]
原始光电信号的幅值变化与相位角呈正弦或余弦的函数关系,即
,其中A为光电信号的幅度,如果信号幅度恒定,我们就可以通过A/D变换,将其瞬时幅值u变为数字量,再用计算机计算确定位移量。然而信号的幅度是受电源波动、光强大小、环境温度、位移速度等因素的影响而变化,因此无法准确得到位移信息。经过分析发现,光电信号的正弦量与余弦量的比值即
,基本上消除了幅度波动的影响,同时又隐含了确定的位移信息,可利用计算机强大的运算功能,计算出
的相位角
,从而确定出位移。如果令N代表细分份数,
代表某一相位角
所对应的细分值,则
对式(1)的计算可分为以下两个步骤:
(1) 表达式(1)中
是个多值函数,而细分是针对一个莫尔条纹信号周期而言,所以首先需要在
相位角范围内把
处理成单值函数。从图2所示
的波形图,可得出
的正负号与各象限的对应关系如下表1所示。
计算机根据
的正负号就能判断出相位角
在哪一个象限,并确定象限细分常数。若用
分别代表第I象限的细分值和相位角。则
式中K表示象限数。根据坐标变换原理,计算机把其他象限都按I象限的方法处理,各象限的细分值
和细分常数
有下列表达式
按式(4)计算的细分值将为单值函数。
(2) 由式(2)可知,当
变化较大。尤其是当
此时计算机就要产生“溢出”,不能运算。为此,把Ⅰ象限分为
两个区间,用计算机判断
的大小,可分三种情况计算:
由式(6)、式(4)和式(5)可得
范围内任一相位角
所对应的细分值。
3 单片机系统组成及工作原理[4,5,8,9]
以MSP430F149单片机为核心的系统组成如图3所示。MSP430F149是TI公司生产的MSP430系列中一个功能很强大的单片机,内部采用RISC指令结构,运算器宽度16位。片内集成了60KB的FLASH程序存储器,2KB的SRAM数据存储器,多个16位定时/捕获/比较器,2个串行口,2个12位A/D转换器,JTAG程序下载/在线调试接口,看门狗定时器等。采用64引脚封装,48个I/O多功能引出线,其中P1口和P2口具有位中断功能。具有指令执行速度快、外部电路简单、功耗低、节电管理方式完善、定位于嵌入式系统应用等特点。其中ADC12内核是一个12位模数转换器,具有采样保持功能,即使现场模拟信号很快,也不会影响ADC的转化。它可以完成细分值的实时数据采集与处理。
在本系统中单片机系统初始化以后,每次定时时间到都由信号端发出一个有效信号以控制时钟电路发出采样保持器所需要的采样脉冲。在采样脉冲的作用下,采样保持器(S/H)对
两路信号同时进行采样,并且保持所采集的
的瞬时值。经过两次A/D转换后,把
信号在采集时刻的瞬时值变为数字量并且输入存储单元。
单片机系统依据计算法细分原理编制程序,在程序控制下,完成数据的采集、细分值的计算和结果显示等任务。
若光栅的节距为d,刻在一个节距内光栅的位移量l为
若光栅移过的节距数为M,则光栅的总位移量L为
可见,通过细分使光栅的分辨率显著提高了N倍,而且细分份数N 是由软件设定,不用改变电路硬件结构,这是单片机计算法细分的创新之处。
4 计算法光栅细分子程序流程
采用计算法实现光栅64细分子程序流程图如图4所示。
5 结束语
实验结果表明,用计算机完成莫尔条纹信号的计算法细分是行之有效的。与传统的电子学细分方法相比,其优点是充分发挥单片机的资源,电路结构简单,成本低,调试容易,提高细分份数不会导致电路的改变。
该实验成果已成功用于其他科研项目中。如16位编码器的分辨率为20",采用64细分后其分辨率提高了6位,达到22位编码器0.3"的分辨率。这不仅大大提高了编码器的分辨率,而且显著降低了科研项目的成本,是一项具有创新的科研成果。该细分技术可以应用于激光干涉信号的细分,以及相类似的数字式位移传感器的细分,具有广泛的应用前景。
参考文献:
[1] 王庆有.光电技术[M].北京:电子工业出版社,2008
[2] 张彤.光电接收器件及其应用[M].北京:高等教育出版社,1987.
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[7] 杨宝清,宋文贵.实用电路手册[M].北京:机械工业出版社,2003.
[8] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[9] 秦龙等.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社,2005.
作者简介:张永枫(1960-),男,副教授,主要从事自动控制及检测技术的教学与科研工作。