光栅传感器在位移自动测量系统中的应用
摘要：介绍一种以单片机为核心的位移自动测量系统，该系统采用光栅传感器把被测位移量转变为电信号，经前置放大和电路处理后，送入8031单片机进行综合运算处理后输出，并通过LED显示。文中介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。
关键词：光栅 位移 单片机
1 引言
目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图如图1所示。
随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。
图2是利用光栅传感器构成的位移量自动测量系统原理示意图。该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以介绍。
2 电子细分与判向电路
光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辩率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为
点击图片，可能获得更佳效果,：
(1)
式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad
在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。
3 单片机与接口电路
为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为
点击图片，可能获得更佳效果,：
(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2μs是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。
由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。
本系统长度最大可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辩率为μm级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示"-"号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。
为实现测量系统的智能化，设置了一个2×8方式键盘矩阵，其中包括0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；ΔT温度误差修正功能键；EXE执行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。
由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的"大"数，而小于255的"小"数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。
4 软件设计
根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。设定环境温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。
本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。
5 结论
根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于±5μm，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辩率可从20μm到1μm，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。
关键词：光栅 位移 单片机
1 引言
目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图如图1所示。
随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。
图2是利用光栅传感器构成的位移量自动测量系统原理示意图。该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以介绍。
2 电子细分与判向电路
光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辩率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为
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(1)
式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad
在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。
3 单片机与接口电路
为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为
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(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2μs是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。
由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。
本系统长度最大可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辩率为μm级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示"-"号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。
为实现测量系统的智能化，设置了一个2×8方式键盘矩阵，其中包括0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；ΔT温度误差修正功能键；EXE执行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。
由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的"大"数，而小于255的"小"数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。
4 软件设计
根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。设定环境温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。
本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。
5 结论
根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于±5μm，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辩率可从20μm到1μm，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。
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