直線光柵位移傳感器在汽車側(cè)滑量測試中的應(yīng)用

段曉平

(韶關(guān)市光柵測量控制技術(shù)研究所，廣東韶關(guān)512026)

在汽車側(cè)滑量的檢測中，位移檢測是重要的技術(shù)之一。由于側(cè)滑量測量中滑板位移速度極快，測量時(shí)對響應(yīng)速度的要求較高。計(jì)量光柵具有量程大、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。為了滿足高精度高速位移測量的要求，在汽車側(cè)滑量檢測中采用計(jì)量光柵作為位移傳感器，以高速單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對側(cè)滑量的快速準(zhǔn)確的測量。

1 側(cè)滑量的測定

汽車前輪定位參數(shù)是影響汽車操縱性和穩(wěn)定性的重要因素。汽車如果沒有正確的前輪定位，將引起轉(zhuǎn)向沉重、操縱困難、增加駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，轉(zhuǎn)向車輪在向前滾動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生橫向滑移現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)檢測法是使汽車以一定的行駛速度通過側(cè)滑試驗(yàn)臺，從而測量轉(zhuǎn)向輪的橫向側(cè)滑量。系統(tǒng)采用光柵傳感器測量側(cè)滑試驗(yàn)臺橫向位移，通過光電元器件直接檢測光柵相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干涉莫爾條紋，輸出對應(yīng)的光電脈沖，實(shí)現(xiàn)對側(cè)滑量位移的測量。

1.1 光柵傳感器的工作原理

光柵傳感器主要由主光柵、指示光柵、光電元件和傳感器殼體構(gòu)成。指示光柵與主光柵構(gòu)成一對光柵付。傳感器殼體在主光柵滑槽的兩邊安裝有兩對光敏器件，發(fā)光管發(fā)出的兩路平行光通過兩條光縫，穿過光柵干涉面到達(dá)另一邊的光敏接收管，光敏接收管用來檢測干涉莫爾條紋引起的光強(qiáng)變化并輸出相應(yīng)的電流波形。采用雙光路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向判別和脈沖細(xì)分，從而提高傳感器的測量精度和實(shí)現(xiàn)判向功能。由于采用紅外發(fā)光管作為光源，不僅使傳感器壽命長、抗干擾性好、成本低，而且使傳感器的體積和重量進(jìn)一步縮小。傳感器在制造時(shí)必須保證主光柵和指示光柵的柵線保持固定微小夾角θ，光柵面保持合適的微小間距，這樣當(dāng)與被測物體的連接的主光柵與處于固定位置的指示光柵發(fā)生相對位移運(yùn)動(dòng)時(shí)，在兩片光柵的重合面區(qū)域?qū)a(chǎn)生垂直的明暗相間的干涉莫爾條紋，通過光電元件檢測莫爾條紋數(shù)量和方向即可以得到位移量或轉(zhuǎn)角大小以及它們的方向信息。干涉得到的莫爾條紋間距B比原來光柵本身的柵距W放大了1/θ倍，因此，傳感器可以通過檢測莫爾條紋的數(shù)量得到光柵相對位移量。指示光柵通常固定在被測物體上，并且隨被測物體移動(dòng)，主光柵的長度決定傳感器位移檢測范圍。指示光柵與光電元件屬于傳感器的移動(dòng)部分，光電元件用來感測隨指示光柵的移動(dòng)而產(chǎn)生的莫爾條紋的光強(qiáng)變化，當(dāng)兩塊光柵相對移動(dòng)時(shí)，可以觀測到莫爾條紋的光強(qiáng)變化。光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便走過一個(gè)條紋間距，電壓輸出正好經(jīng)歷一個(gè)正弦變化周期，當(dāng)光柵連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過電路整形處理，這一正弦信號變成一串連續(xù)脈沖輸出。脈沖數(shù)和條紋數(shù)與移過的光柵柵距是一一對應(yīng)的，因此位移量為:d=NW。

1.2 光柵傳感器數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成

光柵傳感器設(shè)計(jì)成雙光路結(jié)構(gòu)，兩路光敏管輸出的信號始終保持1/2π相位差，輸出一組正交信號，經(jīng)放大和整形電路后，再各自取反，從而得到四路相位彼此相差1/2π的正交方波信號，這些信號再經(jīng)過提取邊沿處理即可以實(shí)現(xiàn)四倍細(xì)分，同時(shí)根據(jù)邊沿的時(shí)序可以判斷主光柵的運(yùn)動(dòng)方向，以消除由于光柵往返回復(fù)運(yùn)動(dòng)給位移檢測帶來的誤差。目前，計(jì)量用光柵尺的刻線一般為每毫米50～250線，對應(yīng)的柵距W為20～4 μm，在精密測量中往往不能滿足要求，需要進(jìn)行細(xì)分。光柵尺信號的細(xì)分與辨向是提高光柵尺測量精度的關(guān)鍵性一步。要提高其測量分辨率，對光柵輸出信號進(jìn)行細(xì)分處理是必要環(huán)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用四倍頻的方法提高定位精度。四倍頻電路與判向電路設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，稱為四倍頻及判向電路。光柵傳感器輸出兩路相位相差為90°的方波信號A和B。用A，B兩相信號的脈沖數(shù)表示光柵走過的位移量，標(biāo)志光柵分正向與反向移動(dòng)。四倍頻后的信號，由微處理器內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。圖1為光柵傳感器輸出信號示意圖。

圖1 光柵傳感器輸出信號示意圖

圖2 光柵信號倍頻判向原理圖

1.3 光柵傳感器在側(cè)滑測試臺的應(yīng)用

通過側(cè)滑試驗(yàn)臺檢測汽車轉(zhuǎn)向輪側(cè)滑量。使汽車以一定的行駛速度通過側(cè)滑試驗(yàn)臺，由于汽車前輪定位參數(shù)使轉(zhuǎn)向輪在向前滾動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生橫向滑移，使側(cè)滑試驗(yàn)臺滑板滑移，與滑板接觸的直線復(fù)位式光柵傳感器精確測出滑板的位移變化，光柵位移信號經(jīng)細(xì)分、判向，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，鎖定測量過程中的最大值，根據(jù)滑板的尺寸換算成側(cè)滑量量綱，準(zhǔn)確測出汽車轉(zhuǎn)向輪的側(cè)滑量顯示并傳輸至上位機(jī)。經(jīng)測試光柵傳感器的響應(yīng)速度約為每秒1米，滿足側(cè)滑測試的響應(yīng)速度。側(cè)滑量測量原理如圖3光柵位移傳感器在側(cè)滑量測量中的應(yīng)用。

圖3 光柵位移傳感器在側(cè)滑量測量中的應(yīng)用

2 結(jié)論

光柵直線自復(fù)位式位移器由于測量精度高，反應(yīng)速度快在汽車側(cè)滑試驗(yàn)臺應(yīng)用了多年，得到了較好的效果。由于光柵傳感器測量精度高、動(dòng)態(tài)測量范圍廣、可進(jìn)行無接觸測量、易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

［1］代杰，樊瑜瑾，張學(xué)麗，等.基于單片機(jī)的光電編碼器位置檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2011(1):17－19.

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