基于交變光強的新型時柵傳感器行波信號設計*

姜林言， 朱　革， 吳武峰， 高　宇， 許現波

(重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶 400054)

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基于交變光強的新型時柵傳感器行波信號設計*

姜林言， 朱革， 吳武峰， 高宇， 許現波

(重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，重慶 400054)

摘要:基于三相異步電機繞組方式的磁場式時柵位移傳感器，通過旋轉磁場得到行波信號強度較弱，并容易受到周圍磁場的干擾。為了進一步提高時柵位移傳感器行波信號的強度，提出一種基于交變光強的時柵位移傳感器行波形成方法，并搭建了實驗平臺。實驗表明:該設計方案產生出正確的行波信號，并且所得到的行波信號強度優于磁場式時柵位移傳感器產生的行波信號強度。

關鍵詞：光強； 交變； 行波； 時柵位移傳感器

0引言

時柵位移傳感器與傳統的柵式位移傳感器不同，采用“時空轉換思想”[1,2]，即用時間量測量空間位移，改變了傳統的精密測量方法和思路，回避了精密機械刻線的技術瓶頸，測量精度高、穩定性高、成本低，具有廣泛市場應用前景[3]。磁場式時柵位移傳感器采用三相異步電機繞組的方式[4,5]，在定子和轉子之間的氣隙中形成旋轉磁場產生行波，這種行波產生方式的信號耦合形式是電磁耦合，信號強度難以進一步提高,信號容易受到周圍磁場干擾，所獲得的信號不純。

針對磁場式時柵行波信號出現的問題，本文提出了一種行波產生新方法，采用交變光強方法產生行波的方案，利用時間上正弦或余弦變化的光強，配合定尺、動尺的空間上的相對移動，最后通過光電耦合獲取行波信號。該方法提高了行波信號的強度，并避免了周圍磁場的干擾。

1行波信號設計原理與結構

行波信號的原理結構如圖1所示，由COB面光源、動尺、定尺、光敏電池組成。通過激勵信號控制發光強弱的變化為正弦或余弦,再透過到動尺和定尺照射到光敏電池上，動尺和定尺的形狀分別為正弦形和矩形，當發生相對位移時則光照面積發生正弦周期性變化；最后由光敏電池接收信號并合成行波信號。

所選用的COB面光源是一種LED集成光源，其發光強度與電流強度呈正比，且發光角度大于120°，發光均勻，無眩光，無光斑，亮度高[6]，通過控制電流強度發出正弦或余弦變化的光強，則光敏電池接收到的信號為

(1)

圖1　行波信號結構原理Fig 1　Structure principle of traveling wave signal

式中Imsinωt,Imcosωt為激勵信號，Im為幅值大小，ω為激勵信號頻率，t為時間，SA,SB為光照面積。

動尺和定尺發生相對位移時，透過的光照面發生周期性變化，如圖2所示。動尺為正弦形，分上下A，B兩組；定尺的矩形寬度和間距均為w，分為上下A,B兩組，其中,B組滯后w/2的距離,則其透過光照面積為

圖2　動尺與定尺相對位移Fig 2　Relative displacement of moving ruler and fixed ruler

(2)

(3)

那么,根據式(1)～式(3)，并由三角函數的和差化積公式，便可得到行波信號U

(4)

這種行波信號產生方法擺脫了目前磁場式時柵通過旋轉磁場獲得行波的方式，通過光電耦合獲取信號，從原理上提高了信號的強度，而且,一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以,光信號不受電磁干擾的影響。

2實驗平臺設計

搭建的實驗平臺如圖3所示。根據設計原理制作了動尺、定尺，采用玻璃材料，使用光刻、鍍膜工藝刻畫柵面，這種加工工藝精度可以達到nm等級[7]。動尺部分搭載在高精度的直線電機導軌上，通過導軌帶動動尺移動。定尺、光源搭載在實驗臺基座上，實驗臺基座使用了三自由度微調機構基座，能夠前后平移(X向)，左右平移(Y向)，上下平移(Z向)。

圖3　實驗平臺Fig 3　Experimental platform

3實驗結果與分析

首先對實驗平臺的行波信號進行了檢測，實驗使用FPGA產生正弦激勵信號點亮COB集成光源，利用高精度的直線電機導軌帶動動尺移動，進而得到行波信號，如圖4所示，其幅值為300 mV，周期為 99.50 μs。

圖4　行波信號Fig 4　Traveling wave signal

其次在磁場式時柵綜合實驗臺進行了檢測，檢測到的行波信號如圖5所示，其幅值為240 mV，周期為2.478 ms。

圖5　磁場式時柵行波信號Fig 5　Magnetic field type time grating traveling wave signal

對比檢測到的行波信號，實驗表明：實驗平臺得到的行波信號強度優于磁場式時柵的行波信號強度，并且所含噪聲很小，信號較純。

4結束語

本文采用交變光強與光電耦合相結合的方法，設計了一種全新的時柵位移傳感器行波信號產生方法，進一步提高了時柵位移傳感器行波信號的強度，并且避免了周圍磁場的干擾,為時柵位移傳感器的研究與改進提供了依據。

參考文獻:

[1]楊繼森,許強,馮濟琴.基于STM32F4的時柵位移傳感器信號處理系統集成化設計[J].傳感器與微系統,2013,32(12):113-116.

[2]彭東林,張興紅,劉小康,等.基于時空轉換的精密位移測量新方法與傳統方法的比較[J].儀器儀表學報，2006，27( 4)：423-426.

[3]楊繼森,何建,彭東林,等.基于STM32的時柵轉臺高精度自動標定系統設計[J].傳感器與微系統,2014,33(3):107-109.

[4]彭東林，張興紅，劉小康，等.場式時柵位移傳感器研究[J]．儀器儀表學報，2003，24(3)：321-323.

[5]武亮，彭東林，陳錫侯，等.基于駐波調制方法的新型時柵位移傳感器[J].儀表技術與傳感器，2011(4)：4-5，27.

[6]祁姝琪，丁申冬，鄭鵬，等.COB封裝對LED光學性能影響的研究[J]．電子與封裝，2012(3)：6-9，18.

[7]周輝，楊海峰.光刻與微納制造技術的研究現狀及展望[J]．加工、測量與設備，2012(9)：613-618，636.

Traveling wave signal design of new type time grating sensor based on alternating light intensity*

JIANG Lin-yan, ZHU Ge, WU Wu-feng, GAO Yu, XU Xian-bo

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment，Ministry of Education,Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Abstract:Magnetic field type time grating displacement sensor based on three-phase asynchronous motor winding,traveling wave is obtained by rotating magnetic field,the obtained traveling wave signal strength is weak, and vulnerable to be interfered by magnetic field around.In order to further improve traveling wave signal strength of time grating displacement sensor,put forward a kind of traveling wave forming method of time grating displacement sensor based on alternating light intensity,and set up experimental platform.Experiments show that the designed scheme generates correct traveling wave signal,and the obtained traveling wave signal intensity is prior to that of magnetic field type time grating displacement sensor.

Key words:light intensity; alternating; traveling wave; time grating displacement sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0083—02

收稿日期：2015—05—08

*基金項目：重慶市研究生科研創新項目 (CYS14189)；重慶理工大學研究生創新基金資助項目(YCX2014103)；國家重大科學儀器設備開發專項項目(2013YQ220893)；國家自然科學基金資助項目(51127001，51305478)

中圖分類號：TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0083—02

作者簡介:

姜林言(1991-)，女，重慶人，碩士研究生，主要研究領域為精密儀器與機械、測試計量儀器。