基于簡易光柵尺的位移測量實驗教學系統研究

程春雨, 吳振宇, 周曉丹, 商云晶, 秦曉梅, 吳雅楠

(1. 大連理工大學 電子信息與電氣工程學部 電工電子國家級實驗教學示范中心, 遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學 創新創業學院, 遼寧 大連 116024)

光柵尺是指表面刻有規則排列和規則形狀刻線的標尺。常用的光柵有透射式光柵和反射式光柵兩大類。光柵作為位移測量部件,主要用于位置檢測和位移測量,在精密儀器、超精加工、高精度檢測、機床加工、儀器制造、機械生產和機械加工、武器研制等領域已經得到了廣泛應用[1-4]。

光柵位移測量已經可以實現快速動態測量、自動化測量、數字化顯示等功能,隨著光刻技術以及電子細分技術的發展,光柵位移測量精度也在不斷提高[5]。現實生活中的鼠標器、噴墨打印機、3D打印機、數字式光學計量儀、數控機床,很多產品都用到了光柵位移測量。光柵位移測量儀是光、機、電技術相結合的完美結晶,但因其具體應用會涉及到光學、機械結構和電子測量等專業知識,因而光柵位移測量實驗在國內高校實驗教學中卻鮮少被提及[6]。

為了能給學生提供一個完整的光柵位移測量方面的實驗教學系統,本文設計了一套基于簡易光柵尺的位移測量實驗教學系統。該系統幫助學生加深將基本基礎理論知識應用于實踐的認知和理解,激發出學生探索未知世界的好奇心和學習熱情,綜合培養學生自主學習、創新實踐和研究能力[7-8]。

1 光柵尺

為了讓整個實驗裝置更加直觀、易懂,簡單、易于組裝拆解,設計實驗裝置時不僅選用了工業上不常用的反射式光柵尺,并且還省略了工業位移測量傳感器中的光源、聚光系統、光闌、透鏡、指示光柵和限位調整機構等; 只保留了標尺光柵、紅外發光管、光電接收管，以及信號采集、放大、處理和顯示電路等。這種反射式標尺光柵制作簡單、成本低、比較容易在實驗室條件下實現。

實驗中的光柵尺也可稱作標尺光柵,是用高精度激光打印機打印完成。打印材料選用了出版業最常用的膠片(菲林片)。為了便于組裝,實驗選用的是反射式光柵。將高精度激光打印機打印出來的黑白(白是空白的意思,不是白色)等距刻線的菲林片光柵標尺裝貼在一條長長的槽形光滑鏡面鋁桿上,即完成簡易標尺光柵的制作,如圖1所示。

圖1 簡易光柵尺

2 光電傳感器

光電傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠、測量精度高、安裝方便、抗干擾能力強等優點,是一種比較常用的檢測部件,在工業自動化領域已經被廣泛應用[9-10]。在國內高校實驗教學中所涉及到紅外發光管和光電接收管的設計、應用實驗大多是用來編碼通信和檢測光路通斷,如設計紅外遙控器、紅外節水裝置等。在模擬電路課程設計、數字電路課程設計、單片機應用等實踐類實驗中,很少有學生會想到用紅外發光管和光電接收管設計位移測量系統。

為了讓學生能更加直觀地學習并掌握光電傳感器在位移測量方面的應用,實驗將紅外發射管和光電接收管設計成了光電傳感器，并封裝在一起。光電傳感器內部裝有1個紅外發光管、2個光電接收管,如圖2所示。將設計好的光電傳感器安裝在已經貼裝好標尺光柵的槽形鏡面鋁桿上,高度不超過5 mm。

圖2 光電傳感器內部電路

實際設計中,紅外發光管至2個光電管的距離要相等,如果不能滿足相等條件,則最好對每個光電管配單獨的發射管,2個光電管可以封裝在一個器件之內(如本文選用的PT2559B/L2/H2)。雙光電管的排列方向必須和光柵黑白條的方向一致,設光柵尺黑白周期長度為T(黑條寬為1 mm,空白寬為1 mm,T=2 mm),則2個光電管的物理間距應當等于T/4(T/4對應正弦波的90°相位差),誤差不得超過30%。如果光電接收管無法安裝在光柵尺的一個周期內,那么間距可以為(n+1/4)T,n為周期數。

當光電傳感器在貼有標尺光柵的鏡面鋁桿滑軌上直線移動時,借助于反射式光學原理,紅外發光管所發射出來的紅外光照射到黑白相間的光柵條紋上,在移動過程中,所反射的紅外光會產生變化,不同強度的紅外光被光電接收管接收并轉換成不同強度的電信號,不同強度的電信號被送至后續信號處理電路進行處理和計算,從而完成位移測量。

用上述方法設計的位移測量用傳感器裝置也可稱作光柵位移傳感器或光柵傳感器。本實驗裝置采用的是手動移動方式,省略了工業用光柵測量系統的機械驅動部分。

在設計實驗光柵位移傳感器時,為了便于市場采購,參考了機械鼠標器的內部結構及其所選用的光電接收器件。紅外發射管選用IR908-7C型長方形扁平透明側向發光二極管,光電接收管選用一種黑色長方形扁平環氧塑料封裝的高速、高靈敏度PT2559B/L2/H2型雙光電晶體管,雙接收管的間距是0.61 mm。

從廠家提供的數據手冊可知,PT2559B/L2/H2型光電接收管與IR908-7C型紅外發光二極管的中心波長并不在同一頻率點上,二者的波譜有不到40%的重疊部分可以能量耦合,因此上述所選用的兩種管型并不是最理想的匹配管,但因客觀條件限制,以及這兩種管型的感應系數可以滿足實驗要求,實驗中一直選用了這兩種管型,未來還應爭取找到中心波長相同的紅外收發管。

本實驗使用T=2 mm的光柵標尺,T/4=0.5 mm,而雙接收管的封裝間距是0.61 mm,二者并不相等,誤差22%,雖然不完美,但在允許范圍之中,并未因此招致測量誤差的增大。

紅外發光管和光電接收管是光電傳感器的關鍵部件。紅外發光管和光電接收管的性能參數將直接影響光電傳感器的測量精度、可靠性和使用壽命等[10]。設計光電傳感器時,應考慮選用發光均勻且穩定、發熱量小、壽命長的紅外發光管,其安裝位置應平行于光柵尺的刻線。光電接收管一般要求靈敏度高、穩定性好、轉換線性好，以及光譜響應要與光源輻射特性相匹配等。

3 電路設計

當光電位移傳感器沿著光柵表面做直線運動時,光電接收管能接收到不同強度的光信號并轉換成電信號輸出,波形的交流部分類似于正弦波,每個周期表示傳感器跨越了光柵上一個黑白條紋的間隔。傳感器輸出信號的交流成分相對微弱,耦合進入實驗板之后,先經過低通放大器放大,然后再送到施密特比較器整形輸出。放大電路中低通截止頻率的設定要看環境干擾和自身開關穩壓器的振蕩頻率確定,如果截止頻率過低,傳感器高速運動輸出的信號也會被抑制。放大整形電路設計如圖3所示,圖中給出了單通道信號的放大整形電路,雙通道信號則需要設計兩路相同的放大整形電路。

圖3 放大整形電路

如果光電位移傳感器內部只封裝了一個光電接收管,當其在光柵尺上移動時,只能測量單方向位移,因為不能判斷出移動方向,因此不能雙向測量。如果光電位移傳感器內部封裝了2個間距為T/4的光電接收管,并采用雙通道信號檢測,對雙路信號分別進行放大整形,得到的就是雙通道脈沖編碼信號輸出,不但可以檢測到運動位移,而且還可以檢測到一維直線運動的方向。

雙光電接收管的間距為T/4,因此雙路光電接收管的信號相位差為90°[11]。處理器可以根據兩路信號相位的超前和滯后來判斷光電位移傳感器移動的方向,繼而進行相應的加法或者減法計數,實現雙向位移測量[12-13]。

4 計算方法

整形之后的脈沖代表直線運動位移的量化,將所累加數字脈沖數乘以分度即可得到光柵位移傳感器移動的距離,即位移=脈沖數×分度，即完成單方向反射式光柵位移測量。

整形輸出雙路方波信號的相位差為90°,這種信號是標準的脈沖編碼信號(PULSE1和PULSE2),可以完美地實現雙向位移測量。計算方法有如下3種:

(1) PULSE1的下降沿時刻,通過PULSE2的電平高低判斷水平移動方向,然后增減計數脈沖,通過該方式算得的精度為T(本文中T=2 mm)。

(2) PULSE1的上升沿和下降沿時刻,分別通過PULSE2的電平判斷方向,然后增減計數脈沖,通過該方式算得的精度為T/2。

(3) PULSE1和PULSE2的上升沿和下降沿都用來判斷對方的電平,然后按照運動方向增減計數脈沖,通過該方式算得的精度為T/4,如圖4所示。

圖4 整形電路輸出波形

以計算方法(2)為例,利用可以同時響應上升沿和下降沿中斷的單片機,給出一段中斷計數程序,本例中r_counter計數器的分度為1 mm。計算方法(3)與之同理,但需要占據2個中斷引腳和中斷源,相應的r_counter計數器的分度為0.5 mm。

光柵編碼傳感器信號PULSE1中斷服務程序：

int0初始化為上升、下降沿均可觸發,具體是什么邊沿觸發,進中斷查詢int0引腳電平即可。

PULSE1的同類邊沿領先于PULSE2,就是正方向位移；

PULSE1的同類邊沿落后于PULSE2,就是負方向位移；

r_counter是全局變量,存儲絕對位移數值,單位是mm。

中斷程序：

*/

void int0(void) interrupt 0 using 1

{

if(PULSE1) // PULSE1是高電平,那就是上升沿觸發的中斷

{

if(PULSE2)r_counter --; //負方向

elser_counter ++; //正方向。

}

else // PULSE1下降沿觸發的中斷

{

if(PULSE2)r_counter ++; //正方向

elser_counter --; //負方向

}

}

5 延伸設計

經整形處理后的數字信號送給MCU進行處理。擴展計數器位數和辨向方法,延長光柵尺的測量長度、引申為圓形光柵旋轉編碼器等設計留給學生自主發揮完成。

為了讓學生對系統電路設計有一個整體概念,本實驗向學生簡單介紹系統電路設計框圖,如圖5所示。光電位移傳感器的輸出信號經過放大、濾波、整形處理后,通過接口電路送到MCU進行處理,MCU完成與鍵盤和顯示器的通信,將測得的結果顯示出來。

圖5 系統電路設計框圖

感興趣的學生可以提前自學上述部分實驗內容并完成系統電路設計。

在設計系統電路時要求學生完成:

(1) 檢測來自光柵編碼發來的雙通道脈沖編碼,一個用于表征方向、一個用于脈沖計數；

(2) 按鍵清零后,根據傳感器移動后得到的脈沖個數,計算顯示位移數據；

(3) 通過串行接口發送測量數據；

(4) 通過ISP軟件在線下載燒錄程序。

6 結語

本文主要研究在實驗室條件下利用光電位移傳感器和反射式光柵實現位移測量方法。當光柵位移傳感器在單方向緩慢移動時,計數誤差很小; 當光柵位移傳感器的移動方向變換頻繁,或者移動速度較快時,偶爾會出現丟數問題。測量精度主要取決于光柵尺的刻線密度和拾取信號后的處理方法。

本實驗可以讓學生貫穿所學模擬電路、數字電路以及單片機應用等實驗課的大部分內容,其中包括紅外發光管、光電接收管、放大器、比較器、單片機應用等。該實驗的特點是將模擬信號的數據采集與和數據處理有機地融合,將模擬電路、數字電路和單片機應用實驗融為一體。這是我們在實驗教學改革中嘗試的一種創新性實驗教學模式,該實驗項目很受學生歡迎,教學效果良好。