基于簡(jiǎn)易光柵尺的位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)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(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部 電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

光柵尺是指表面刻有規(guī)則排列和規(guī)則形狀刻線的標(biāo)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(cè)量部件,主要用于位置檢測(cè)和位移測(cè)量,在精密儀器、超精加工、高精度檢測(cè)、機(jī)床加工、儀器制造、機(jī)械生產(chǎn)和機(jī)械加工、武器研制等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

光柵位移測(cè)量已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)測(cè)量、自動(dòng)化測(cè)量、數(shù)字化顯示等功能,隨著光刻技術(shù)以及電子細(xì)分技術(shù)的發(fā)展,光柵位移測(cè)量精度也在不斷提高[5]?，F(xiàn)實(shí)生活中的鼠標(biāo)器、噴墨打印機(jī)、3D打印機(jī)、數(shù)字式光學(xué)計(jì)量?jī)x、數(shù)控機(jī)床,很多產(chǎn)品都用到了光柵位移測(cè)量。光柵位移測(cè)量?jī)x是光、機(jī)、電技術(shù)相結(jié)合的完美結(jié)晶,但因其具體應(yīng)用會(huì)涉及到光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子測(cè)量等專業(yè)知識(shí),因而光柵位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中卻鮮少被提及[6]。

為了能給學(xué)生提供一個(gè)完整的光柵位移測(cè)量方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)了一套基于簡(jiǎn)易光柵尺的位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)幫助學(xué)生加深將基本基礎(chǔ)理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的認(rèn)知和理解,激發(fā)出學(xué)生探索未知世界的好奇心和學(xué)習(xí)熱情,綜合培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐和研究能力[7-8]。

1 光柵尺

為了讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置更加直觀、易懂,簡(jiǎn)單、易于組裝拆解,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)不僅選用了工業(yè)上不常用的反射式光柵尺,并且還省略了工業(yè)位移測(cè)量傳感器中的光源、聚光系統(tǒng)、光闌、透鏡、指示光柵和限位調(diào)整機(jī)構(gòu)等; 只保留了標(biāo)尺光柵、紅外發(fā)光管、光電接收管，以及信號(hào)采集、放大、處理和顯示電路等。這種反射式標(biāo)尺光柵制作簡(jiǎn)單、成本低、比較容易在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)中的光柵尺也可稱作標(biāo)尺光柵,是用高精度激光打印機(jī)打印完成。打印材料選用了出版業(yè)最常用的膠片(菲林片)。為了便于組裝,實(shí)驗(yàn)選用的是反射式光柵。將高精度激光打印機(jī)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(biāo)尺裝貼在一條長(zhǎng)長(zhǎng)的槽形光滑鏡面鋁桿上,即完成簡(jiǎn)易標(biāo)尺光柵的制作,如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)易光柵尺

2 光電傳感器

光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠、測(cè)量精度高、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是一種比較常用的檢測(cè)部件,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[9-10]。在國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所涉及到紅外發(fā)光管和光電接收管的設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)大多是用來編碼通信和檢測(cè)光路通斷,如設(shè)計(jì)紅外遙控器、紅外節(jié)水裝置等。在模擬電路課程設(shè)計(jì)、數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用等實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)中,很少有學(xué)生會(huì)想到用紅外發(fā)光管和光電接收管設(shè)計(jì)位移測(cè)量系統(tǒng)。

為了讓學(xué)生能更加直觀地學(xué)習(xí)并掌握光電傳感器在位移測(cè)量方面的應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)將紅外發(fā)射管和光電接收管設(shè)計(jì)成了光電傳感器，并封裝在一起。光電傳感器內(nèi)部裝有1個(gè)紅外發(fā)光管、2個(gè)光電接收管,如圖2所示。將設(shè)計(jì)好的光電傳感器安裝在已經(jīng)貼裝好標(biāo)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(nèi)部電路

實(shí)際設(shè)計(jì)中,紅外發(fā)光管至2個(gè)光電管的距離要相等,如果不能滿足相等條件,則最好對(duì)每個(gè)光電管配單獨(dú)的發(fā)射管,2個(gè)光電管可以封裝在一個(gè)器件之內(nèi)(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(shè)光柵尺黑白周期長(zhǎng)度為T(黑條寬為1 mm,空白寬為1 mm,T=2 mm),則2個(gè)光電管的物理間距應(yīng)當(dāng)?shù)扔赥/4(T/4對(duì)應(yīng)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(gè)周期內(nèi),那么間距可以為(n+1/4)T,n為周期數(shù)。

當(dāng)光電傳感器在貼有標(biāo)尺光柵的鏡面鋁桿滑軌上直線移動(dòng)時(shí),借助于反射式光學(xué)原理,紅外發(fā)光管所發(fā)射出來的紅外光照射到黑白相間的光柵條紋上,在移動(dòng)過程中,所反射的紅外光會(huì)產(chǎn)生變化,不同強(qiáng)度的紅外光被光電接收管接收并轉(zhuǎn)換成不同強(qiáng)度的電信號(hào),不同強(qiáng)度的電信號(hào)被送至后續(xù)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理和計(jì)算,從而完成位移測(cè)量。

用上述方法設(shè)計(jì)的位移測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置采用的是手動(dòng)移動(dòng)方式,省略了工業(yè)用光柵測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光柵位移傳感器時(shí),為了便于市場(chǎng)采購(gòu),參考了機(jī)械鼠標(biāo)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其所選用的光電接收器件。紅外發(fā)射管選用IR908-7C型長(zhǎng)方形扁平透明側(cè)向發(fā)光二極管,光電接收管選用一種黑色長(zhǎng)方形扁平環(huán)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(shù)據(jù)手冊(cè)可知,PT2559B/L2/H2型光電接收管與IR908-7C型紅外發(fā)光二極管的中心波長(zhǎng)并不在同一頻率點(diǎn)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(yīng)系數(shù)可以滿足實(shí)驗(yàn)要求,實(shí)驗(yàn)中一直選用了這兩種管型,未來還應(yīng)爭(zhēng)取找到中心波長(zhǎng)相同的紅外收發(fā)管。

本實(shí)驗(yàn)使用T=2 mm的光柵標(biāo)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(cè)量誤差的增大。

紅外發(fā)光管和光電接收管是光電傳感器的關(guān)鍵部件。紅外發(fā)光管和光電接收管的性能參數(shù)將直接影響光電傳感器的測(cè)量精度、可靠性和使用壽命等[10]。設(shè)計(jì)光電傳感器時(shí),應(yīng)考慮選用發(fā)光均勻且穩(wěn)定、發(fā)熱量小、壽命長(zhǎng)的紅外發(fā)光管,其安裝位置應(yīng)平行于光柵尺的刻線。光電接收管一般要求靈敏度高、穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)換線性好，以及光譜響應(yīng)要與光源輻射特性相匹配等。

3 電路設(shè)計(jì)

當(dāng)光電位移傳感器沿著光柵表面做直線運(yùn)動(dòng)時(shí),光電接收管能接收到不同強(qiáng)度的光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,波形的交流部分類似于正弦波,每個(gè)周期表示傳感器跨越了光柵上一個(gè)黑白條紋的間隔。傳感器輸出信號(hào)的交流成分相對(duì)微弱,耦合進(jìn)入實(shí)驗(yàn)板之后,先經(jīng)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(shè)定要看環(huán)境干擾和自身開關(guān)穩(wěn)壓器的振蕩頻率確定,如果截止頻率過低,傳感器高速運(yùn)動(dòng)輸出的信號(hào)也會(huì)被抑制。放大整形電路設(shè)計(jì)如圖3所示,圖中給出了單通道信號(hào)的放大整形電路,雙通道信號(hào)則需要設(shè)計(jì)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(nèi)部只封裝了一個(gè)光電接收管,當(dāng)其在光柵尺上移動(dòng)時(shí),只能測(cè)量單方向位移,因?yàn)椴荒芘袛喑鲆苿?dòng)方向,因此不能雙向測(cè)量。如果光電位移傳感器內(nèi)部封裝了2個(gè)間距為T/4的光電接收管,并采用雙通道信號(hào)檢測(cè),對(duì)雙路信號(hào)分別進(jìn)行放大整形,得到的就是雙通道脈沖編碼信號(hào)輸出,不但可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)位移,而且還可以檢測(cè)到一維直線運(yùn)動(dòng)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(hào)相位差為90°[11]。處理器可以根據(jù)兩路信號(hào)相位的超前和滯后來判斷光電位移傳感器移動(dòng)的方向,繼而進(jìn)行相應(yīng)的加法或者減法計(jì)數(shù),實(shí)現(xiàn)雙向位移測(cè)量[12-13]。

4 計(jì)算方法

整形之后的脈沖代表直線運(yùn)動(dòng)位移的量化,將所累加數(shù)字脈沖數(shù)乘以分度即可得到光柵位移傳感器移動(dòng)的距離,即位移=脈沖數(shù)×分度，即完成單方向反射式光柵位移測(cè)量。

整形輸出雙路方波信號(hào)的相位差為90°,這種信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖編碼信號(hào)(PULSE1和PULSE2),可以完美地實(shí)現(xiàn)雙向位移測(cè)量。計(jì)算方法有如下3種:

(1) PULSE1的下降沿時(shí)刻,通過PULSE2的電平高低判斷水平移動(dòng)方向,然后增減計(jì)數(shù)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(shí)刻,分別通過PULSE2的電平判斷方向,然后增減計(jì)數(shù)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(duì)方的電平,然后按照運(yùn)動(dòng)方向增減計(jì)數(shù)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(jì)算方法(2)為例,利用可以同時(shí)響應(yīng)上升沿和下降沿中斷的單片機(jī),給出一段中斷計(jì)數(shù)程序,本例中r_counter計(jì)數(shù)器的分度為1 mm。計(jì)算方法(3)與之同理,但需要占據(jù)2個(gè)中斷引腳和中斷源,相應(yīng)的r_counter計(jì)數(shù)器的分度為0.5 mm。

光柵編碼傳感器信號(hào)PULSE1中斷服務(wù)程序：

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

PULSE1的同類邊沿領(lǐng)先于PULSE2,就是正方向位移；

PULSE1的同類邊沿落后于PULSE2,就是負(fù)方向位移；

r_counter是全局變量,存儲(chǔ)絕對(duì)位移數(shù)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(fā)的中斷

{

if(PULSE2)r_counter --; //負(fù)方向

elser_counter ++; //正方向。

}

else // PULSE1下降沿觸發(fā)的中斷

{

if(PULSE2)r_counter ++; //正方向

elser_counter --; //負(fù)方向

}

}

5 延伸設(shè)計(jì)

經(jīng)整形處理后的數(shù)字信號(hào)送給MCU進(jìn)行處理。擴(kuò)展計(jì)數(shù)器位數(shù)和辨向方法,延長(zhǎng)光柵尺的測(cè)量長(zhǎng)度、引申為圓形光柵旋轉(zhuǎn)編碼器等設(shè)計(jì)留給學(xué)生自主發(fā)揮完成。

為了讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)有一個(gè)整體概念,本實(shí)驗(yàn)向?qū)W生簡(jiǎn)單介紹系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖,如圖5所示。光電位移傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、整形處理后,通過接口電路送到MCU進(jìn)行處理,MCU完成與鍵盤和顯示器的通信,將測(cè)得的結(jié)果顯示出來。

圖5 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖

感興趣的學(xué)生可以提前自學(xué)上述部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并完成系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路時(shí)要求學(xué)生完成:

(1) 檢測(cè)來自光柵編碼發(fā)來的雙通道脈沖編碼,一個(gè)用于表征方向、一個(gè)用于脈沖計(jì)數(shù)；

(2) 按鍵清零后,根據(jù)傳感器移動(dòng)后得到的脈沖個(gè)數(shù),計(jì)算顯示位移數(shù)據(jù)；

(3) 通過串行接口發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)；

(4) 通過ISP軟件在線下載燒錄程序。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究在實(shí)驗(yàn)室條件下利用光電位移傳感器和反射式光柵實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量方法。當(dāng)光柵位移傳感器在單方向緩慢移動(dòng)時(shí),計(jì)數(shù)誤差很小; 當(dāng)光柵位移傳感器的移動(dòng)方向變換頻繁,或者移動(dòng)速度較快時(shí),偶爾會(huì)出現(xiàn)丟數(shù)問題。測(cè)量精度主要取決于光柵尺的刻線密度和拾取信號(hào)后的處理方法。

本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生貫穿所學(xué)模擬電路、數(shù)字電路以及單片機(jī)應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)課的大部分內(nèi)容,其中包括紅外發(fā)光管、光電接收管、放大器、比較器、單片機(jī)應(yīng)用等。該實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是將模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與和數(shù)據(jù)處理有機(jī)地融合,將模擬電路、數(shù)字電路和單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)融為一體。這是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)改革中嘗試的一種創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很受學(xué)生歡迎,教學(xué)效果良好。