位移傳感器—光柵的原理和應(yīng)用

摘要：本文介紹了位移傳感器的種類，常用位移傳感器計量光柵的測量原理，信號處理和具體應(yīng)用，對四倍頻專用集成電路QA740210做了簡單介紹。
關(guān)鍵詞：位移、計量光柵、莫爾條紋、辨向、細(xì)分、加/減計數(shù)器、89C2051單片機、實時性
一、概述
　　位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。
二、原理
　　計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的。“莫爾”原出于法文Moire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對運動，則花樣也跟著移動，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只要是有一定周期的曲線簇重疊起來，便會產(chǎn)生莫爾條紋。計量光柵在實際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為幅射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。透射光柵尺上均勻地刻有平行的刻線即柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。目前國內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱為主光柵，它的大小與測量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了測量位移，必須在主光柵側(cè)加光源，在指示光柵側(cè)加光電接收元件。當(dāng)主光柵和指示光柵相對移動時，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強變化轉(zhuǎn)換成電信號。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖1，此信號是一直流信號和近視正弦的周期信號的疊加，周期信號是位移x的函數(shù)。每當(dāng)x變化一個光柵柵距W，信號就變化一個周期，信號由b點變化到b’點。由于bb’=W，故b’點的狀態(tài)與b點狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了2π。由圖1可得光電信號為
u 0 = U平均+Um sin(π/2+2πX/W)
式中 u 0 —光電元件輸出的電壓信號；
U平均—輸出信號的直流分量；
Um —輸出信號中正弦交流分量的幅值。
從公式中可見，當(dāng)光柵位移一個節(jié)距W，波形變化一周。這時相應(yīng)條紋移動一個條紋寬度B。因此，只要記錄波形變化周期數(shù)即條紋移動數(shù)N，就可知道光柵的位移X即X=NW

三、信號處理
1、辨向原理 在實際應(yīng)用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向，需要有π/2相位差的兩個莫爾條紋信號。如圖2，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個光電元件，得到兩個相位差π/2的電信號u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號u01’和u02’。光柵正向移動時u01超前u02 90度，反向移動時u02超前u01 90度，故通過電路辨相可確定光柵運動方向。

2、細(xì)分技術(shù) 隨著對測量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧δ獱枟l紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)出若干個脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個周期內(nèi)發(fā)出n個脈沖，則可使測量精度提高n備，而每個脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了n倍，因此也稱n倍頻。通常用的有兩種細(xì)分方法：其一、直接細(xì)分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，可得到兩個相位差90o的電信號，用反相器反相后就得到四個依次相差90o的交流信號。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個相位差90o的交流信號，實現(xiàn)四倍頻細(xì)分。其二、電路細(xì)分。電路細(xì)分有很多種方法，圖3是最基本的一種二倍頻細(xì)分電路。

四、專用集成電路
　　四倍頻專用集成電路QA740210同時具有辨相和四倍頻細(xì)分的功能，可將兩路正交的方波進(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計數(shù)信號，可送雙時鐘可逆計數(shù)器進(jìn)行加、減計數(shù)，也可直接送微型計算機（包括單片機）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
1、特點：
⑴、數(shù)字化微分電路：4路微分信號脈寬由主頻周期決定，因此，是一致的，而且可在很大范圍里方便地選擇。
⑵、臨界報警與過速報警兩檔速度提示：可在光柵運動速度接近極限值時給出臨界報警信息，以便操作者及時控制光柵運動快慢。在速度超過極限值時本電路將給出出錯信息。
⑶、絕對零位控制：絕對零位的設(shè)置將給操作者帶來許多方便，如故障斷電后的重新定位等。本電路有“到絕對零位開始計數(shù)”和“到絕對零位停止計數(shù)”，以及“與絕對零位無關(guān)”三種工作模式。
⑷、片選：本電路設(shè)有片選端，可以構(gòu)成多標(biāo)數(shù)顯系統(tǒng)。
⑸、COMS工藝：輸入輸出的電壓電流與4000系列CMOS及LSTTL電路兼容。
2、各腳功能詳解：
管腳1：振蕩器0。（X0） 它既可以與X1、X2構(gòu)成振蕩器，也可以作為外部時鐘的輸入端。
管腳2：正交信號1。（0o）接收光柵尺傳送過來的信號，也可以接收SJ0204（5細(xì)分電路）產(chǎn)生的信號。這個信號應(yīng)為方波。本電路將對0o與管腳3接收的90o正交方波進(jìn)行四倍頻，并根據(jù)0o與90o之間的相位關(guān)系進(jìn)行相位判別。
管腳3：正交信號2。（90o）本管腳接收一個與管腳2在相位上相差90o的方波號，（參見管腳2的說明）。
管腳4：減計數(shù)脈沖輸出。（-CPo）此管腳常態(tài)為高電平，當(dāng)有輸出時，為一個與振蕩器中X高電平等寬的負(fù)脈沖，此管腳應(yīng)接雙時鐘可逆計數(shù)器的減計數(shù)時鐘端。
管腳5：加計數(shù)脈沖輸出。（+CPo）（參見腳4說明）此管腳應(yīng)接雙時鐘可逆計數(shù)器的加計數(shù)時鐘端。
管腳6：負(fù)號輸出端（MSo） 可指示光柵尺與設(shè)定零位的相對位置，在片選時可由Msi予置，此時MSo與Msi同電平。0o如超前90o則當(dāng)全“0”信號輸入后，此端為低，90o如超前0o則當(dāng)全“0”信號輸入后，此端為高，此端可直接驅(qū)動LED。
管腳7：全“0”信號輸入端。（AZi）此管腳接收可逆計數(shù)器傳送過來的一個正脈沖信號，（寬度≥1個主頻周期），它的輸入使本來－CPo有輸出，變成＋CPo有輸出。
管腳8：負(fù)號輸入端。（MSi）
可逆計數(shù)器所顯示數(shù)不為“0”的情況下，表1成立。此端在片選選中時起作用。

管腳10：清零輸入。（/CE）清除報錯信號，并使ABS功能處于A模式，此端在片選時起作用，低電平有效。
管腳11：片選輸入（/CS）使用電路可以用于多坐標(biāo)數(shù)顯表，低電平選中，/CE、/ABSC及Msi才起作用。
管腳12：絕對零位模式選擇。（/ABSC）本腳需要輸入一個負(fù)脈沖。片選并清零后，本腳輸入負(fù)脈沖的個數(shù)決定ABS的三個模式：
　 輸入0個脈沖，A模式，絕對零（ABSZ）輸入不起作用；
　 輸入奇數(shù)個脈沖，B模式，絕對零（ABSZ）輸入后CPo才有輸出；
　 輸入偶數(shù)個脈沖，C模式，絕對零（ABSZ）輸入后CPo停止輸出。
　　管腳13：絕對零輸入。（ABSZ）本腳需要輸入一個正脈沖。由光柵尺或0204電路給出，如果一個光柵尺有若干個絕對零位輸出，則只有第一個起作用（參見管腳12）。
　　管腳14：絕對零位標(biāo)志。（FABS）A模式時，F(xiàn)ABS=1；B模式時，F(xiàn)ABS=0；C模式時，F(xiàn)ABS為一串脈沖，（與XO同頻同相）
　　管腳15：速度報警輸出。（WARN） 設(shè)本電路主頻（X2）為Fx,當(dāng)0o（90o）的輸入頻率Fi﹤1/8Fx時，WARN=“0”,當(dāng)1/8Fx≤Fi﹤1/6Fx時,WARN有正脈沖出現(xiàn)，寬度與0o輸入的方波相同。當(dāng)Fi降到1/8Fx以下后，此端自動恢復(fù)為“0”，當(dāng)Fi≥1/6Fx時，WARN=“1”，此“1”電平只有當(dāng)片選選中且完成清零（即/CS=0且/CE=0）后才能恢復(fù)為“0”電平。
　　管腳16：振蕩器I。（X1）與X0、X2構(gòu)成振蕩器。
　　管腳17：振蕩器O。（X2）與X0、X2構(gòu)成振蕩器。也可用作主頻輸出。
3、QA740210芯片功能較多，接線用法也較多，在此不詳述，如需要可參考芯片詳細(xì)資料。
五、設(shè)計應(yīng)用
　 下面介紹QA740210芯片最簡單的用法——僅對兩路正交信號進(jìn)行四倍頻處理的線路。如圖4，為光柵尺信號處理部分電路。74LS193為雙時鐘十六進(jìn)制同步加/減計數(shù)器，QA740210輸出的兩路正負(fù)脈沖信號（+CP0/-CP0）分別與第一個74LS193的加（CKU）/減（CKD）脈沖端相連，第一個74LS193的進(jìn)位（CRY）/借位（BORR）分別與第二個74LS193的加（CKU）/減（CKD）脈沖端相連。用單片機89C2051 P1口的8位I/O口接兩個計數(shù)器的8位數(shù)據(jù)線，第二個計數(shù)器的進(jìn)位位（CRY）和借位位（BORR）分別接89C2051的外部中斷INT0和INT1，這樣累加或累減在256個以內(nèi)的計數(shù)脈沖通過計數(shù)器和單片機的8位并行數(shù)據(jù)口傳輸，超過256個計數(shù)脈沖則由外部中斷INT0和INT1進(jìn)行中斷響應(yīng)處理，可以大大提高光柵的測量速度，根據(jù)實驗，以目前的配置條件，最大測量速度至少可達(dá)5m/min，極大提高了光柵尺的應(yīng)用范圍。通過對單片機適當(dāng)編程完成了計數(shù)脈沖的加減、數(shù)據(jù)的顯示及串口發(fā)送功能。此系統(tǒng)采用硬件和軟件相結(jié)合的方式，計數(shù)快，實時性強，穩(wěn)定性高。既克服了純硬件線路復(fù)雜的缺點，又克服了純軟件計數(shù)慢的缺點，具有很好的實用性。