基于光柵測長度

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄 TOC o 1-3 h z u 引 言現(xiàn)實社會生活中，無論是基于對工業(yè)發(fā)展的需求，還是日常生活的需要，亦或是學習實驗，往往都涉及到對位移的測量，隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，對位移測量的精度要求也日益提高。高測量精度的位移測量器對經(jīng)濟和科技的發(fā)展都會起到很大的推動作用，顯然，提高位移測量器精度，擴大位移測量器的應用廣度也就至關重要了。而目前市場上對位移測量的儀器都存有一定的弊端和局限性，有的測量精度不高，有的讀數(shù)繁瑣易錯，有的只能測量靜止物體的位移針對以上問題，我們以光

2、柵產(chǎn)生的莫爾條紋為理論依據(jù)，并基于單片機AT89S51進行輸入設置和輸出顯示的設計，既方便了使用者的操作，又克服了傳統(tǒng)測量位移工具的弊端。 1 總體的設計框圖總體系統(tǒng)框圖 圖1 光柵測量系統(tǒng)1.2 光柵設計圖圖2 光柵設計圖2 各部分設計說明2.1 光柵尺2.1.1 光柵尺設計圖 圖3 光柵尺設計圖2.1.2 光柵尺的簡介及原理光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應用于機床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其測高了現(xiàn)在加工時的工作效率。在現(xiàn)在中國加工業(yè)、制造業(yè)越來越成熟，對加工的精度量輸出的信號為數(shù)字脈沖，

3、具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。光柵尺在現(xiàn)代工業(yè)的貢獻也是非常巨大的，不僅僅將現(xiàn)在加工精度進一步完善，更重要的是提越來越高的時候，在各種機床上，例如：銑床，磨床，車床，線切割、電火花等機床上都可以安裝光柵尺，其工作環(huán)境要求相對來說不是很苛刻，對操作者的使用來說也十分簡單。如圖所示：光柵尺位移傳感器是由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床活動部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。右圖所示的就是光柵尺位移傳感器的結構。光柵檢測裝置結構：光柵檢測裝置的關鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調整機構等組成。光柵讀數(shù)頭結構

4、形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結構特點和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）。常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)

5、域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。2.2 莫爾條紋2.2.1 莫爾條紋莫爾條紋是18世紀法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學現(xiàn)象。從技術角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結果，當人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這種光學現(xiàn)象就是莫爾條紋。以透射光柵為例，當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋之間形成一個小角度，并且兩個光柵尺刻面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (圖4所示)。嚴格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩

6、條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。 W= /2* sin（/2）= / 圖4 莫爾條紋2.2.2 莫爾條紋的性質莫爾條紋的性質（1）方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時 與光柵移動方向垂直（2）莫爾條紋的變化規(guī)律兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。（3）放大作用W表示柵距，B莫爾條紋的紋距（寬度），表示光柵條紋的夾角。則：B=（4）可調性：夾角 條紋間距B 靈活（5）均化誤差作用莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有10

7、00條線紋，這樣柵距之間的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。2.2.3檢測與數(shù)據(jù)處理光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進行細分，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉換為對莫爾條紋個數(shù)的測量。 在一個莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的光柵尺，

8、其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辨率為5m的計數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運放構成的差分放大器。由4個光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1:1的方波。然后，通過對方波的相位進行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進行計數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。2.2.4 辨向原理在實

9、際應用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，位移有正負之分，因此用一個位移傳感器光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向，為了辨別，需要有/2相位差的兩個莫爾條紋信號。計量光柵辨向原理電路圖如圖5所示，在相距B/4位置設置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差/2的莫爾條紋正弦電壓信號u1和u2，然后送到辨向電路中去處理。正向移動如圖（a）所示的箭頭指向A時，經(jīng)過整形后輸出方波信號u1，再經(jīng)Y1輸出脈沖信號u1w，計數(shù)器作加法計數(shù)；反向移動圖(a)所示的箭頭指向A時，經(jīng)過整形方波信號u2，再經(jīng)Y2輸出脈沖信號u2w，計數(shù)器作減法計數(shù)。光柵正向移動時u1超前u2為90，反向移動時u2超前u1為90

10、，故通過電路變相可確定光柵運動方向，進行位移的正確測量。 圖5 光柵辨向原理具體辨向過程：在光柵沿A方向移動時，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖正好發(fā)生在u2的“1”電平時刻，從而經(jīng)與門Y1輸出一個計數(shù)脈沖。而u1經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖則與u2的“0”電平相遇，此時Y2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵作A方向移動時，u1的微分脈沖發(fā)生在u2的“0”電平處，此時因與門Y1被阻塞而無脈沖輸出；而u1反向微分后產(chǎn)生的脈沖則出現(xiàn)在u2的“1”電平處，故與門Y2輸出一個計數(shù)脈沖?？梢?，辨向電路的兩路輸出分別對應著光柵兩個不同的移動方向。將Y1，Y2的輸出信號分別送入可逆計數(shù)器。設光柵作A方向移動時，計數(shù)器作加計數(shù)，

11、反之則作減計數(shù)。若某時刻計數(shù)器的輸出為N，那么NW就是此時光柵的移動位移。3 電路及其程序3.1 電路的介紹3.1.1 單片機的選擇及其電路圖單片機：AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes 的的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)的方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。AT89S51單片機的主要性能參數(shù)如圖7所示： 圖7 AT89S51單片機主要性能參數(shù)功能特性概述AT89S51提供以下標

12、準功能：4k 字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作一直到下一個硬件復位。電路圖如下所示：圖7 整體電路圖3.1.2 電源電路圖 圖8 電源電路圖如圖8所示，穩(wěn)壓電路將生活用電（220v的交流電）經(jīng)過降壓變壓器降低電

13、壓，得到低壓交流電，經(jīng)過整流電路整流，得到直流電，經(jīng)過濾波電路得到脈動較小的直流電，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的直流電。3.1.3 復位電路 圖9 復位電路整個電路初始啟動時，5V電壓向電容充電，則5V電壓和地組成的回路中有電流流通，10K電阻上的電壓約為5V，即高電平，使單片機復位；單片機工作過程中，如還需使單片機復位，則按一下開關S1即可。（S1接通時，前面電源提供5V電壓，使10K電阻電壓仍為5V左右，即可滿足單片機的高電平復位的條件）【注】：電阻R2（1K）起限流的作用，放置電流過大影響單片機正常工作。S1自然狀態(tài)下為斷開狀態(tài)。3.1.4 發(fā)光接收及放大電路 圖10 發(fā)光接收及放大電路接通電

14、源后，發(fā)光二極管便發(fā)出紅外光，其中R=1K是保護電阻，防止發(fā)光二極管因電流過大而燒壞。當經(jīng)過明條紋時，光電接收管受到紅外光的照射而導通，光電接收管在導通狀態(tài)下壓降為0，所以兩個10K電阻分壓，輸出電壓2.5v；當經(jīng)過暗條紋時，光電接收管接收不到二極管發(fā)出的紅外光而截止，回路中沒有電流通過，輸出電壓為0。3.1.5 計數(shù)顯示電路圖11 計數(shù)顯示電路3.2 程序設計3.2.1 系統(tǒng)流程圖 圖6 系統(tǒng)流程圖3.2.2 程序#includesm1=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6C,0 x7C,0 x07,0 x7F,0 x67;/0-9sm2=0 xBF,0 x8

15、6,0 xDB,0 xCF,0 xE6,0 xEC,0 xFC,0 x87,0 xFF,0 xE7;/0.-9.void delay0(int i) /延時 for(i;i0;i-) ; void main(void) unsigned int cnt,SS,ys,i,j,k,newin; TMOD=0 x04; /計數(shù)器0工作 TH0=0 x00; /計數(shù)器高位0 TL0=0 x00; /低位設為0 TR0=1; /啟動計數(shù)器 SS=TL0; cnt=T0; P2=0 xdf; /選通數(shù)碼管 P0=sm10; /數(shù)碼管初始值為000 P2=0 xbf; P0=sm10; P2=0 x7f; P0=sm10; /000 while(1) if(SS=TL0) cnt=T0; i=cnt/100; ys=cnt-i*100; j=ys/10; k=ys%10; P2=0 xdf; /選通百位 P0=