位移传感器—光栅的原理和应用

摘要：本文介绍了位移传感器的种类，常用位移传感器计量光栅的测量原理，信号处理和具体应用，对四倍频专用集成电路QA740210做了简单介绍。
关键词：位移、计量光栅、莫尔条纹、辨向、细分、加/减计数器、89C2051单片机、实时性
一、概述
　　位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
二、原理
　　计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，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1，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1可得光电信号为
u 0 = U平均+Um sin(π/2+2πX/W)
式中 u 0 —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

三、信号处理
1、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2，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。

2、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备，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。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。

四、专用集成电路
　　四倍频专用集成电路QA740210同时具有辨相和四倍频细分的功能，可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送微型计算机（包括单片机）进行数据处理。
1、特点：
⑴、数字化微分电路：4路微分信号脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。
⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。
⑶、绝对零位控制：绝对零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对零位停止计数”，以及“与绝对零位无关”三种工作模式。
⑷、片选：本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。
⑸、COMS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。
2、各脚功能详解：
管脚1：振荡器0。（X0） 它既可以与X1、X2构成振荡器，也可以作为外部时钟的输入端。
管脚2：正交信号1。（0o）接收光栅尺传送过来的信号，也可以接收SJ0204（5细分电路）产生的信号。这个信号应为方波。本电路将对0o与管脚3接收的90o正交方波进行四倍频，并根据0o与90o之间的相位关系进行相位判别。
管脚3：正交信号2。（90o）本管脚接收一个与管脚2在相位上相差90o的方波号，（参见管脚2的说明）。
管脚4：减计数脉冲输出。（-CPo）此管脚常态为高电平，当有输出时，为一个与振荡器中X高电平等宽的负脉冲，此管脚应接双时钟可逆计数器的减计数时钟端。
管脚5：加计数脉冲输出。（+CPo）（参见脚4说明）此管脚应接双时钟可逆计数器的加计数时钟端。
管脚6：负号输出端（MSo） 可指示光栅尺与设定零位的相对位置，在片选时可由Msi予置，此时MSo与Msi同电平。0o如超前90o则当全“0”信号输入后，此端为低，90o如超前0o则当全“0”信号输入后，此端为高，此端可直接驱动LED。
管脚7：全“0”信号输入端。（AZi）此管脚接收可逆计数器传送过来的一个正脉冲信号，（宽度≥1个主频周期），它的输入使本来－CPo有输出，变成＋CPo有输出。
管脚8：负号输入端。（MSi）
可逆计数器所显示数不为“0”的情况下，表1成立。此端在片选选中时起作用。



管脚10：清零输入。（/CE）清除报错信号，并使ABS功能处于A模式，此端在片选时起作用，低电平有效。
管脚11：片选输入（/CS）使用电路可以用于多坐标数显表，低电平选中，/CE、/ABSC及Msi才起作用。
管脚12：绝对零位模式选择。（/ABSC）本脚需要输入一个负脉冲。片选并清零后，本脚输入负脉冲的个数决定ABS的三个模式：
　 输入0个脉冲，A模式，绝对零（ABSZ）输入不起作用；
　 输入奇数个脉冲，B模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo才有输出；
　 输入偶数个脉冲，C模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo停止输出。
　　管脚13：绝对零输入。（ABSZ）本脚需要输入一个正脉冲。由光栅尺或0204电路给出，如果一个光栅尺有若干个绝对零位输出，则只有第一个起作用（参见管脚12）。
　　管脚14：绝对零位标志。（FABS）A模式时，FABS=1；B模式时，FABS=0；C模式时，FABS为一串脉冲，（与XO同频同相）
　　管脚15：速度报警输出。（WARN） 设本电路主频（X2）为Fx,当0o（90o）的输入频率Fi﹤1/8Fx时，WARN=“0”,当1/8Fx≤Fi﹤1/6Fx时,WARN有正脉冲出现，宽度与0o输入的方波相同。当Fi降到1/8Fx以下后，此端自动恢复为“0”，当Fi≥1/6Fx时，WARN=“1”，此“1”电平只有当片选选中且完成清零（即/CS=0且/CE=0）后才能恢复为“0”电平。
　　管脚16：振荡器I。（X1）与X0、X2构成振荡器。
　　管脚17：振荡器O。（X2）与X0、X2构成振荡器。也可用作主频输出。
3、QA740210芯片功能较多，接线用法也较多，在此不详述，如需要可参考芯片详细资料。
五、设计应用
　 下面介绍QA740210芯片最简单的用法——仅对两路正交信号进行四倍频处理的线路。如图4，为光栅尺信号处理部分电路。74LS193为双时钟十六进制同步加/减计数器，QA740210输出的两路正负脉冲信号（+CP0/-CP0）分别与第一个74LS193的加（CKU）/减（CKD）脉冲端相连，第一个74LS193的进位（CRY）/借位（BORR）分别与第二个74LS193的加（CKU）/减（CKD）脉冲端相连。用单片机89C2051 P1口的8位I/O口接两个计数器的8位数据线，第二个计数器的进位位（CRY）和借位位（BORR）分别接89C2051的外部中断INT0和INT1，这样累加或累减在256个以内的计数脉冲通过计数器和单片机的8位并行数据口传输，超过256个计数脉冲则由外部中断INT0和INT1进行中断响应处理，可以大大提高光栅的测量速度，根据实验，以目前的配置条件，最大测量速度至少可达5m/min，极大提高了光栅尺的应用范围。通过对单片机适当编程完成了计数脉冲的加减、数据的显示及串口发送功能。此系统采用硬件和软件相结合的方式，计数快，实时性强，稳定性高。既克服了纯硬件线路复杂的缺点，又克服了纯软件计数慢的缺点，具有很好的实用性。