基于简易光栅尺的位移测量实验教学系统研究

程春雨, 吴振宇, 周晓丹, 商云晶, 秦晓梅, 吴雅楠

(1. 大连理工大学 电子信息与电气工程学部 电工电子国家级实验教学示范中心, 辽宁 大连 116024; 2. 大连理工大学 创新创业学院, 辽宁 大连 116024)

光栅尺是指表面刻有规则排列和规则形状刻线的标尺。常用的光栅有透射式光栅和反射式光栅两大类。光栅作为位移测量部件,主要用于位置检测和位移测量,在精密仪器、超精加工、高精度检测、机床加工、仪器制造、机械生产和机械加工、武器研制等领域已经得到了广泛应用[1-4]。

光栅位移测量已经可以实现快速动态测量、自动化测量、数字化显示等功能,随着光刻技术以及电子细分技术的发展,光栅位移测量精度也在不断提高[5]。现实生活中的鼠标器、喷墨打印机、3D打印机、数字式光学计量仪、数控机床,很多产品都用到了光栅位移测量。光栅位移测量仪是光、机、电技术相结合的完美结晶,但因其具体应用会涉及到光学、机械结构和电子测量等专业知识,因而光栅位移测量实验在国内高校实验教学中却鲜少被提及[6]。

为了能给学生提供一个完整的光栅位移测量方面的实验教学系统,本文设计了一套基于简易光栅尺的位移测量实验教学系统。该系统帮助学生加深将基本基础理论知识应用于实践的认知和理解,激发出学生探索未知世界的好奇心和学习热情,综合培养学生自主学习、创新实践和研究能力[7-8]。

1 光栅尺

为了让整个实验装置更加直观、易懂,简单、易于组装拆解,设计实验装置时不仅选用了工业上不常用的反射式光栅尺,并且还省略了工业位移测量传感器中的光源、聚光系统、光阑、透镜、指示光栅和限位调整机构等; 只保留了标尺光栅、红外发光管、光电接收管，以及信号采集、放大、处理和显示电路等。这种反射式标尺光栅制作简单、成本低、比较容易在实验室条件下实现。

实验中的光栅尺也可称作标尺光栅,是用高精度激光打印机打印完成。打印材料选用了出版业最常用的胶片(菲林片)。为了便于组装,实验选用的是反射式光栅。将高精度激光打印机打印出来的黑白(白是空白的意思,不是白色)等距刻线的菲林片光栅标尺装贴在一条长长的槽形光滑镜面铝杆上,即完成简易标尺光栅的制作,如图1所示。

图1 简易光栅尺

2 光电传感器

光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠、测量精度高、安装方便、抗干扰能力强等优点,是一种比较常用的检测部件,在工业自动化领域已经被广泛应用[9-10]。在国内高校实验教学中所涉及到红外发光管和光电接收管的设计、应用实验大多是用来编码通信和检测光路通断,如设计红外遥控器、红外节水装置等。在模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机应用等实践类实验中,很少有学生会想到用红外发光管和光电接收管设计位移测量系统。

为了让学生能更加直观地学习并掌握光电传感器在位移测量方面的应用,实验将红外发射管和光电接收管设计成了光电传感器，并封装在一起。光电传感器内部装有1个红外发光管、2个光电接收管,如图2所示。将设计好的光电传感器安装在已经贴装好标尺光栅的槽形镜面铝杆上,高度不超过5 mm。

图2 光电传感器内部电路

实际设计中,红外发光管至2个光电管的距离要相等,如果不能满足相等条件,则最好对每个光电管配单独的发射管,2个光电管可以封装在一个器件之内(如本文选用的PT2559B/L2/H2)。双光电管的排列方向必须和光栅黑白条的方向一致,设光栅尺黑白周期长度为T(黑条宽为1 mm,空白宽为1 mm,T=2 mm),则2个光电管的物理间距应当等于T/4(T/4对应正弦波的90°相位差),误差不得超过30%。如果光电接收管无法安装在光栅尺的一个周期内,那么间距可以为(n+1/4)T,n为周期数。

当光电传感器在贴有标尺光栅的镜面铝杆滑轨上直线移动时,借助于反射式光学原理,红外发光管所发射出来的红外光照射到黑白相间的光栅条纹上,在移动过程中,所反射的红外光会产生变化,不同强度的红外光被光电接收管接收并转换成不同强度的电信号,不同强度的电信号被送至后续信号处理电路进行处理和计算,从而完成位移测量。

用上述方法设计的位移测量用传感器装置也可称作光栅位移传感器或光栅传感器。本实验装置采用的是手动移动方式,省略了工业用光栅测量系统的机械驱动部分。

在设计实验光栅位移传感器时,为了便于市场采购,参考了机械鼠标器的内部结构及其所选用的光电接收器件。红外发射管选用IR908-7C型长方形扁平透明侧向发光二极管,光电接收管选用一种黑色长方形扁平环氧塑料封装的高速、高灵敏度PT2559B/L2/H2型双光电晶体管,双接收管的间距是0.61 mm。

从厂家提供的数据手册可知,PT2559B/L2/H2型光电接收管与IR908-7C型红外发光二极管的中心波长并不在同一频率点上,二者的波谱有不到40%的重叠部分可以能量耦合,因此上述所选用的两种管型并不是最理想的匹配管,但因客观条件限制,以及这两种管型的感应系数可以满足实验要求,实验中一直选用了这两种管型,未来还应争取找到中心波长相同的红外收发管。

本实验使用T=2 mm的光栅标尺,T/4=0.5 mm,而双接收管的封装间距是0.61 mm,二者并不相等,误差22%,虽然不完美,但在允许范围之中,并未因此招致测量误差的增大。

红外发光管和光电接收管是光电传感器的关键部件。红外发光管和光电接收管的性能参数将直接影响光电传感器的测量精度、可靠性和使用寿命等[10]。设计光电传感器时,应考虑选用发光均匀且稳定、发热量小、寿命长的红外发光管,其安装位置应平行于光栅尺的刻线。光电接收管一般要求灵敏度高、稳定性好、转换线性好，以及光谱响应要与光源辐射特性相匹配等。

3 电路设计

当光电位移传感器沿着光栅表面做直线运动时,光电接收管能接收到不同强度的光信号并转换成电信号输出,波形的交流部分类似于正弦波,每个周期表示传感器跨越了光栅上一个黑白条纹的间隔。传感器输出信号的交流成分相对微弱,耦合进入实验板之后,先经过低通放大器放大,然后再送到施密特比较器整形输出。放大电路中低通截止频率的设定要看环境干扰和自身开关稳压器的振荡频率确定,如果截止频率过低,传感器高速运动输出的信号也会被抑制。放大整形电路设计如图3所示,图中给出了单通道信号的放大整形电路,双通道信号则需要设计两路相同的放大整形电路。

图3 放大整形电路

如果光电位移传感器内部只封装了一个光电接收管,当其在光栅尺上移动时,只能测量单方向位移,因为不能判断出移动方向,因此不能双向测量。如果光电位移传感器内部封装了2个间距为T/4的光电接收管,并采用双通道信号检测,对双路信号分别进行放大整形,得到的就是双通道脉冲编码信号输出,不但可以检测到运动位移,而且还可以检测到一维直线运动的方向。

双光电接收管的间距为T/4,因此双路光电接收管的信号相位差为90°[11]。处理器可以根据两路信号相位的超前和滞后来判断光电位移传感器移动的方向,继而进行相应的加法或者减法计数,实现双向位移测量[12-13]。

4 计算方法

整形之后的脉冲代表直线运动位移的量化,将所累加数字脉冲数乘以分度即可得到光栅位移传感器移动的距离,即位移=脉冲数×分度，即完成单方向反射式光栅位移测量。

整形输出双路方波信号的相位差为90°,这种信号是标准的脉冲编码信号(PULSE1和PULSE2),可以完美地实现双向位移测量。计算方法有如下3种:

(1) PULSE1的下降沿时刻,通过PULSE2的电平高低判断水平移动方向,然后增减计数脉冲,通过该方式算得的精度为T(本文中T=2 mm)。

(2) PULSE1的上升沿和下降沿时刻,分别通过PULSE2的电平判断方向,然后增减计数脉冲,通过该方式算得的精度为T/2。

(3) PULSE1和PULSE2的上升沿和下降沿都用来判断对方的电平,然后按照运动方向增减计数脉冲,通过该方式算得的精度为T/4,如图4所示。

图4 整形电路输出波形

以计算方法(2)为例,利用可以同时响应上升沿和下降沿中断的单片机,给出一段中断计数程序,本例中r_counter计数器的分度为1 mm。计算方法(3)与之同理,但需要占据2个中断引脚和中断源,相应的r_counter计数器的分度为0.5 mm。

光栅编码传感器信号PULSE1中断服务程序：

int0初始化为上升、下降沿均可触发,具体是什么边沿触发,进中断查询int0引脚电平即可。

PULSE1的同类边沿领先于PULSE2,就是正方向位移；

PULSE1的同类边沿落后于PULSE2,就是负方向位移；

r_counter是全局变量,存储绝对位移数值,单位是mm。

中断程序：

*/

void int0(void) interrupt 0 using 1

{

if(PULSE1) // PULSE1是高电平,那就是上升沿触发的中断

{

if(PULSE2)r_counter --; //负方向

elser_counter ++; //正方向。

}

else // PULSE1下降沿触发的中断

{

if(PULSE2)r_counter ++; //正方向

elser_counter --; //负方向

}

}

5 延伸设计

经整形处理后的数字信号送给MCU进行处理。扩展计数器位数和辨向方法,延长光栅尺的测量长度、引申为圆形光栅旋转编码器等设计留给学生自主发挥完成。

为了让学生对系统电路设计有一个整体概念,本实验向学生简单介绍系统电路设计框图,如图5所示。光电位移传感器的输出信号经过放大、滤波、整形处理后,通过接口电路送到MCU进行处理,MCU完成与键盘和显示器的通信,将测得的结果显示出来。

图5 系统电路设计框图

感兴趣的学生可以提前自学上述部分实验内容并完成系统电路设计。

在设计系统电路时要求学生完成:

(1) 检测来自光栅编码发来的双通道脉冲编码,一个用于表征方向、一个用于脉冲计数；

(2) 按键清零后,根据传感器移动后得到的脉冲个数,计算显示位移数据；

(3) 通过串行接口发送测量数据；

(4) 通过ISP软件在线下载烧录程序。

6 结语

本文主要研究在实验室条件下利用光电位移传感器和反射式光栅实现位移测量方法。当光栅位移传感器在单方向缓慢移动时,计数误差很小; 当光栅位移传感器的移动方向变换频繁,或者移动速度较快时,偶尔会出现丢数问题。测量精度主要取决于光栅尺的刻线密度和拾取信号后的处理方法。

本实验可以让学生贯穿所学模拟电路、数字电路以及单片机应用等实验课的大部分内容,其中包括红外发光管、光电接收管、放大器、比较器、单片机应用等。该实验的特点是将模拟信号的数据采集与和数据处理有机地融合,将模拟电路、数字电路和单片机应用实验融为一体。这是我们在实验教学改革中尝试的一种创新性实验教学模式,该实验项目很受学生欢迎,教学效果良好。