（测试计量技术及仪器专业论文）ccd光纤角位移传感器的研究.pdf

摘要 角位移是测量技术中的基本力学测试参数之一。对角位移进行高精度、大量程、高分 辨率的检测，是当前工业控制领域中急需解决的问题之一。由于使用环境的特殊性，以及 检测精度和抗干扰的要求，现有的角位移传感器不能完全满足自动控制系统中的安全防爆， 大量程，高精度，低成本的要求，所以开发研究新型的光纤角位移传感器有着重要的意义。 本文研究了一种由进位式编码盘、混合排列的光纤束、线阵c c d 和采集系统组成的 测量系统。该系统由c c d 通过计数光纤点亮的根数，实现角位移测量，通过进位式编码 盘扩大角位移的动态范围，通过识别码消除齿轮往复旋转时齿轮间隙产生的空程误差，用 混合排列的光纤束传输光信号。从而使该系统具有动态范围大，灵敏度高，抗干扰能力强， 长期稳定性好，成本低的优点。 本文从硬件和软件两方面详细地阐述了c c d 光纤角位移传感器的电路系统设计。系 统的硬件设计包括c c d 驱动电路和c c d 数据采集电路，其中部分电路采用h d l 设计方 式实现；软件为基于单片机的c 语言方式。 关键词：光纤；角位移；线阵c c d ：c p l d ；单片机： r e s e a r c ho no p t i c a lf i b e r a n g u l a r d i s p l a c e m e n ts e n s o rb a s e do nc c d a b s t r a c t a n g u l a rd i s p l a c e m e n t i so n eo ft h eb a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sl nm e 舢e m e n t t e c h n o l o g y h o w t oa c h i e v em e a s u r e m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o n ，l a r g er a n g ea n dh i g hr e s o l u t i o no f a n g u l a rd i s p l a c e m e n ti so n eo ft h eu r g e n tp r o b l e m si np r e s e n tm d m t r i a lc o n t r o la r e a s i n c e t r a d i t i o n a la n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o r sc a n n o tf u l f i l lt h ea c q u i r e m e n t so fe x p l o s i o np r e v e n t i o n ， l a r g er a n g e ，h i g hp r e c i s i o na n dl o wc o s ts i m u l t a n e o u s l yd u et os p e c i f i ca p p l y i n ge n v i r o n m e n t s a n dr e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o na n da n t i - j a m m i n g ，d e v e l o p i n gn o v e lo p t i c a lf i b e ra n g u l a r d i s p l a c e m e n ts e n s o ri so fg r e a tm e a n i n g i nt h i st h e s i s ，am e 跚e m e n ts y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fc a r r y i n gc o d e dd i s k ，h y b r i d a l i g n m e n to p t i c a lf i b e rb u n d l e ，l i n e a rc c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) a n dc o m p u t e ri ss t u d i e d i nt h i ss y s t e m ，t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ti sa c q u i r e db yc o u n t i n gt h en u m b e ro fo p t i c a lf i b e rl i t u s i n gc c d ，t h ed y n a m i cr a n g eo fa n g u l a rd i s p l a c e m e n ti se x p a n d e dt h r o u g ht h ec a r r y i n g c o d e dd i s k ，t h ep r e c i s i o ni si m p r o v e db ye l i m i n a t i n gt h ee r r o ro fg e a rg a pg e n e r a t i o nu s i n g i d e n t i f i c a t i o nc o d ea n dt h eo p t i c a ls i g n a l sa r et r a n s p o r t e db yt h eh y b r i da l i g n m e n to p t i c a lf i b e r b u n d l e ，n l i st ) r p eo fo p t i c a lf i b e ra n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o rh a st h ea d v a n t a g e so fl a r g e d y n a m i cr a n g e ，h i g hs e n s i t i v i t y , s t r o n ga n t i - ja m m i n ga b i l i t y , g o o dl o n g - t e r ms t a b i l i t y , l o w c o s t a n ds oo n n l ed e s i g no fc c do p t i c a lf i b e ra n g u l a rd i s p l a c e m e n ts e n s o rm e a s 硼es y s t e mi s d i s c u s s e di nd e t a i li nt w oa s p e c t s ，t h a ti s ，h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n n l eh a r d w a r ei s c o m p o s e db ye l e c t r oc i r c u i t so fc c dd r i v i n gs y s t e ma n dc c dd a t aa c q u i r i n gs y s t e m h d l d e s i g nm o d ei se m p l o y e dt od e s i g ns o m eo ft h e s ee l e c t r oc i r c u i t s t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e d u s i n gcl a n g u a g eo fm c u k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e r , a n g u l a rd i s p l a c e m e n t , l i n e a rc c d ，c p l d ，m c u 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论丈，是本人在导炳的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论丈不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者( 枞签名) 强嵌p 7 年7 月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论史属于不保密码 ( 请在以上方框内打“ ” ) 彩年7 月7 日 口y 年夕月夕日 l 、 入 潢缓 黼致 签 塾 膳 岱枞枞 者沛储师 干 r 刘教 7 - 雠导学指 致谢 三年的研究生学习生活即将结束，在过去的三年中，得到过许多老师、同学和朋友的 无私的关怀和帮助。在这里我要向所有帮助、支持过我的人们致以最真挚的谢意。 本论文的研究工作是在我的导师张爱斌的精心指导和悉心关怀下完成的，从论文选题、 研究思路和论文总体把握及最后审核、审阅、修改等各个方面都无不凝聚着导师的心血。 导师严谨的治学态度和认真求实的科研作风使我深受启发，受益匪浅，将使我在今后的道 路上得到很大的帮助。在此论文完成之际，向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢封维忠老师、时维铎老师和吴海清老师，感谢你们对我课题研究所给予无私的帮 助，正是在你们的帮助下，并提出许多宝贵意见。感谢电子实验室的老师们，感谢你们的 帮助。 在三年的研究生的求学生涯中，我要感谢感谢实验室中与我朝夕相处的吴琼、马文杰、 卢红伟、袁哲、蔡芳芳、陈彬、王芳、辛克廷、吕开亮、胡莲成等同学给与我的支持和帮 助，在此向他们表达我深深的感激之情。 最后，特别要感谢我的家人对我的辛勤培育和默默支持，没有他们无私地奉献和关爱 就没有我的今天，他们对我的理解、信任和支持是我不断前进的动力，我所取得的每一点 进步都凝聚着他们的心血和汗水，谨以此文表达我对他们深深的谢意和无尽的爱。 张瑛 二o o 九年七月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 光纤传感器自诞生以来，由于其体积小，重量轻，防电磁干扰等多方面优点，受到广 泛的重视，已研究开发出能够对多种物理量进行测量的光纤传感器。 角位移是测量中的基本力学量，对角位移进行高精度、大量程、高分辨率的检测，是 当前工业控制领域和自动控制系统中急需解决的问题之一，由于使用环境的特殊性，以及 检测精度和抗干扰的要求，现有的角位移传感器不能完全满足自动控制系统中的安全防爆， 大量程，高精度，低成本的要求，所以开发研究新型的光纤角位移传感器有着重要的意义。 1 2 角位移传感器的发展现状 角位移是基本力学量之一，在实际生活和工业生产中常常需要测量角位移这一物理 量来实现对其他物理量的控制。角位移传感器正是适应这一需要而产生，它主要用于车、 船、飞机、机械等设备的角位移测量以及自动控制系统中对角度的测量实现控制，也可用 于其它设备中的偏转角测量以及可变成角位移的线位移测量。角度测量是几何量计量技术 的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段的综合运用使得测量准确度达到很高的水 平。角度测量技术可分为动态测量和静态测量两种。对静态测量而言，主要集中在如何提 高测量精度和分辨率上。随着工业的发展，对回转量的测量要求越来越多，故而人们在已 有的测量角度的基础上对旋转物体的角位移测量进行了大量的研究，也因此产生了许多新 的方法。测角技术最早的是用机械式和电磁式方法，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法 具有高准确度和高灵敏度等特点。目前国内外测角的装置很多，各种仪器测量所采用的原 理、精度、分辨率、体积、使用寿命和价格等也各不相同。总体而言可以分为光栅方法测 角舢引、旋转编码器方法测角、光纤方法测角13 m 卜蚰3 、纯光学方法测角m 3 和电学方法测 角3 。 1 2 1 光栅方法测角位移 利用光栅测量技术对位移变化量的精密辨别机理，以此实现角度变量测量以及电信号 转换，使得机械转角以光脉冲的形式进行光电转换，识别角度的微量变化h 3 。两组光敏三 极管和光电二极管在测量空间以特定的相位关系分别置放于光栅转盘两侧，光栅转盘与机 械转角同步转动，使光敏三极管导通或截止，并能通过光电转换电路输出具有一定相位差 的两组增量式脉冲信号，通过有一定相位差的两组增量式脉冲信号可以检测出转动方向m 1 。 这种传感器检测电路采用纯电学方法，利用变频原理提高测量精度，抗干扰能力强、结构 简单等优点，缺点是一次仪表带电。 1 2 2 旋转编码器方法测角位移 旋转编码器是集光、机、电于一体的转速位移传感器。当编码器主轴带动光栅圆盘旋 转，光源发出的光信号被光栅盘的狭缝切割成断续光线并被接收元件接收产生原始电信号， 该电信号经后续电路处理后，输出脉冲信号。光栅方法和编码器方法名称虽然不同，但是 测角的基本原理是相同的，尤其是后续检测电路更是十分相似。基本采用软硬件结合，经 过计数后就能转化为相对位移。旋转编码器方法测角优点是体积小、重量轻、耗能低、品 种多、分辨率高、性能稳定可靠、使用寿命长，缺点是一次仪表带电，动态范围不大于3 6 0 。， 在大于3 6 0 。时，一般采用计算机计数实现测量，但停电后启动需重新标定。 1 2 3 光纤方法测角位移 采用分叉光纤束和特殊设计的金属温度自动补偿旋转杆件作为传感器的核心元件，光 纤角位移传感器是利用l e d 发光管作光源，发出的光束经由分叉光纤束的照明光纤进入测 量反射镜系统端面，反射镜将相对转动的调制光传输到光敏元件表面。传感器受到轻微扭 转，系统便会感知，使得反射镜端面与分叉光纤束测量端面相对转动祸合并以光功率损失 状态表征h 3 。通过光纤束把这一能量变化传输到光敏元件表面，光敏元件将这一微小变化 由光信号转换成电信号，并通过电路处理后输出最终结果，优点是灵敏度高、体积小、现 场全光无电；缺的是动态范围小，抗干扰能力和长期稳定性差。 1 2 4 光学方法测角位移 常用的光学方法、光学内反射法、光学分度头法、激光干涉法、圆光栅法、衍射法、 平行干涉图法、多面棱体法、声光调制法、环形激光法和自准直法等。 上面介绍的各种光学测角方法通常在科研实验中使用，但这些方法大部分是利用光学 干涉法来保证测量精度，因此许多光学测角方法用该方法来作为角度测量的基准。但这类 方法光路调整繁琐且光学元器件需要精密加工而且测量的动态范围小，所以使得这些方法 不适合商业化大批量的生产。 表1 1 各种测量角位移角度的方法及特点匐 方法种类典型代表方法优点 缺点 传统 机械式方法 多齿分度台方法测角手工测量、不易实现自磁 高准确度高灵敏度 化、测量精度受到限制 方法 电磁式方法圆磁栅方法测角 能量消耗低、几何体积尺 工作性能受恶劣的自 现代 电容式方法测角寸小、结构简单无接触 然环境因素影响较大， 方法如：环境温度、潮湿度、 电学方法 式、可靠性高 灰尘等 旋转电位器式方法测 动态测量范围小、精度 测角 原理和结构简单 低 2 方法 种类典型代表方法 优点缺点 利用变频原理提高测量 体积大、制作多线光栅 光栅方法群聚型光栅方法测角精度，抗干扰能力强、结 难度大、检测电路复杂 构简单 体积小、重量轻、品种多、 零点定位困难，光路调 调频响、分辨力高、承载 编码器方法旋转编码器方法测角整难度大、检测电路复 能力强、耗能低、性能稳 杂 定、可靠、使用寿命长 不仅可测轴角位移而且 机械结构复杂、测量的 可测量可转换角位移的 光纤方法光纤机械式方法测角动态范围为o 6 。1 7 物理量，灵敏度高、分辨 范围太小 率大 光学分度头法 多面棱体法 光电编码法 衍射法 适合于小角度精密测量、 对元器件性能要求太 自准直法 改进之后可对3 6 0 度整高，所以制作困难。而 光纤法周角测量。如激光干涉小且光路调试麻烦，测量 光学方法 声光调制法角度测角法已经成为美的动态范围小，实用性 圆光栅法 国、日本、德国、俄罗斯差，不易实现商务化生 光学内反射法 等国测量小角度的基准 立 激光干涉法 平行干涉图法 环形激光法 表1 2 部分角位移传感器性能指标一览蜘( 线性度未列出) 类型量程 精度分辨率 优点缺点 结构简强灵 敏度高、动态 响应特性好、泄露电阻和 电容式 7 0 。2 5 0 1 适应性强、抗非线性 过载能力大及 价格低廉 结构简单、精度 磁栅式 3 6 0 。0 1 ”0 1 高、易数字化、录需磁屏蔽 磁方便成本低 陀螺式3 0 。7 0 。 0 1 。0 1 。 角 o 单、工作可靠 较高 结构简单对环 境要求低输出 旋转变压 信号幅度太抗精度不高、 3 6 0 。 2 。5 。o 1 1 0 器 干扰能力强性线性范围小 能稳息工作可 靠 4 类型 量程 精度 分辨率优点缺点 非接触型、不 接触电阻 光电电位取决于电阻材料和工取决于电阻存在磨损问 o 3 6 0 。大、线性度 器式艺材料和工艺题、寿命长、 可靠性高 差 结构简单，测 分辨率有 非线绕电取决电阻材 量范围广，输 限，存在接 0 3 6 0 。 取决电阻材料、温度出信号大，抗 位器式料、温度触摩擦，动 干扰能力强， 态响应差 精度高 线绕电位取决电阻材结构简单，成 误差比较 0 3 6 0 。 取决电阻材料、温度大、灵敏度 器式料、温度本低 不高 1 2 5 电学方法测角位移 电学测量方法具有灵敏度高，响应速度快，便于自动控制与处理等特点。其基本原理 是利用外界转动物体的转动使得电学中的某一物理量的输出发生变化，进而检测出被测转 动物体的角位移。方法原理简单，机械装置结构也不是太复杂。如国内外广泛使用的电容 式角位移传感器，就是利用转子使得电容两端极板上感应的电荷量发生变化，通过检测装 置使得输出的电压量发生变化，利用一定的函数关系测量出转子的角位移量。使用这种装 置的优点是能量消耗低、结构简单、几何体积尺寸小；缺点是工作性能受恶劣的自然环境 因素影响较大。高精度测量、高可靠性的要求使得这种传感器的实现不是那么容易，至今 这种电容式角位移传感器在自动化工业上的应用仍具有很大的局限性，且一次仪表带电， 对于易燃易爆场合的应用受到限制。 1 3 光纤角位移发展现状 光纤角位移传感器主要有光强调制，相位调制，光纤编码盘等几大类。相位调制的光 纤传感器灵敏度高，但对环境要求极高，应用受到限制，。光强调制的光纤传感器体积小， 灵敏度高，安装方便，但是其输出信号与光强有关，易受环境光干扰及反射面反射率变化和 光源光强变化影响，引起输出信号产生漂移，使系统的抗干扰能力和长期稳定性下降，虽然 采取了各类补偿方法，包括光补偿和电路补偿，但都不能从根本上消除影响3 。以上各类 光纤角位移传感器中，即使是大量程，其动态范围也不大于3 6 0 。在大于3 6 0 。的情况时，一 般采取计算机计数的方法，这种方法一方面不能判断角位移方向，另一方面一旦停电后重新 启动需重新标定。目前还没有一种能同时满足大量程( 大于3 6 0 。) ，高精度，低成本，抗干扰， 重复性好，信号处理系统简单，安全防爆，停电后重新启动可立即显示角位移不需要重新标 定的角位移测量系统。 针对这些问题，本文研究一种具有动态范围大，灵敏度高，抗干扰能力强，长期稳定性 5 好，成本低，可显示角位移的方向和角位移的积累，停电后重新启动可立即显示角位移不需 要重新标定，信号处理系统简单，可实现现场全光无电远距离自动检测的c c d 进位式光纤角 位移光纤传感器。解决了光纤传感器在推广应用中长期的一些难题，为光纤角位移传感器的 应用打下坚实的基础。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文阐述了c c d 进位式编码盘光纤角位移传感器的工作原理、调制方法及运用范围， 通过与常规方法研究的角度角位移传感器进行比较，进而说明研究新型光纤角位移传感器 的重要意义。 本文主要研究内容如下： 1 c c d 光纤角位移传感器的原理介绍，首先给出系统框图，然后对编码盘结构选择、 传输光纤选择和接口实现、编码盘理论推导做了详细介绍，电路实现部分简单叙述其作用， 具体的设计问题在后面的第四章和第五章做详细的介绍。 2 对电路实现做具体介绍，包括硬件设计和软件实现。硬件设计包括c c d 驱动电路和 c c d 采集电路，两者是相关的，非完全独立的，在硬件设计中针对主要芯片功能做了详细 介绍，并给出相应的设计原理图和使用过程中出现的问题，对出现的问题给出相应的解决 方案。软件设计主要是采用硬件描述语言v h d l 来实现系统总体的驱动、控制和使能信号的 产生，给出相应的代码，并加以解释各部分功能；采用c 语言来编写系统的数据处理和显 示程序，并给出相应的程序流程图。 3 c c d 光纤传感器的性能试验，验证系统电路的可行性，并对实验做出误差分析。 本章小结 本章首先介绍了c c d 光纤角位移传感器的研究背景，简述了角位移传感器的发展现 状和光纤角位移发展现状，论证了研究c c d 光纤角位移传感器的必要性，最后简述了课 题研究内容。 6 第二章c c d 光纤角位移传感器的原理 c c d 光纤角位移传感器的原理包括三大部分，分别是进位式编码盘、光信号传输部分、 信号采集处理及显示部分。系统框图如图2 1 所示： 编码盘部分光信号传输部分 信号采集处理及显示部分 硬件电路设计 编码盘 传输光纤 l-。 及软件实现 图2 1 系统结构框图 从图2 1 中可看出，进位式编码盘将角位移的变化转化为光信号的改变，传输光纤将 编码盘光信号的改变传输给硬件电路；信号采集处理及显示部分接收经传输光纤传输过来 的光信号，通过光耦器件进行光电转换，并对转换后的电信号做进一步处理，并显示相应 的角位移。 本章主要介绍进位式编码盘的结构原理和光信号传输部分的传输光纤结构。信号采集 处理及显示部分即硬件设计和软件实现，本章不做介绍，见第四章系统硬件实现和第五章 系统软件实现。 2 1c c d 光纤角位移传感器系统设计原则 为了使所设计的系统真正具有可行的使用价值，整个系统的设计应遵循下列原则： ( 2 ) 尽量使系统整体结构设计简单； ( 3 ) 使系统的测试精度高，动态范围大，性能可靠，长期稳定性好以及使用寿命长； ( 4 ) 自动化程度高： 7 ( 5 ) 安全防爆，实现现场全光无电远距离自动检测； ( 6 ) 系统便于安装，操作使用方便，性价比高。 根据上述原则，采取的研究方法如下： 通过对进位式编码盘的多级进位设计可扩大角位移动态范围的测量；通过对一级进位 码识别码和二级进位码识别码的设计可分别用来消除对应的进位时齿轮间隙产生的误差； 用混合排列的光纤束传输光信号( 不需要点点相关) ，通过计数光纤点亮的根数，来实现角 位移的测量；混合排列的光纤结构简单，成本低，抗干扰能力强。位于测试现场的机械传 动装置、传输光纤均不带电，实现现场全光无电远距离自动检测。 2 2 进位式编码盘传动系统的结构原理 c c d 进位式编码盘光纤角位移传感器的结构如下图所示，由进位式编码盘，传输光纤 和c c d 数据采集系统三大部份组成。进位式编码盘由测量码码盘，一级进位码码盘，二级 进位码码盘组成。测量码码盘与转轴固连，一级进位码码盘和二级进位码码盘套在转轴上可 绕转轴转动。当转轴转动，固连在转轴上的测量码码盘随之转动。测量码码盘每转一周，由 传动齿轮带动一级进位码码盘进一位，一级进位码码盘转一周，由传动齿轮带动二级进位 码码盘进一位。根据动态范围的需要，还可以设计三级进位码码盘和四级进位码码盘等， 需要动态范围越大，则增加进位码码盘即可实现。 如图2 2 所示： 图2 2c c d 进位式编码盘光纤角位移传感器的结构 8 注释： 1 转轴 2 测量码码盘 3 一级进位码码盘 4 二级进位码码盘 5 测量码码盘上的一级进位拨动齿 6 一级进位码码盘上的从动齿 7 一级进位码码盘上的二级进位拨动齿 8 二级进位码码盘上的从动齿 9 传动齿轮的支撑转轴 l o 一级进位码传动齿轮 1 1 二级进位码传动齿轮 1 2 光源 1 3 光源接口 1 4 测量码码盘照明光纤 1 5 一级进位码码盘照明光纤 1 6 二级进位码码盘照明光纤 1 7 测量码码盘读码光纤接口 1 8 一级进位码码盘读码光纤接口 1 9 二级进位码码盘读码光纤接口 2 0 测量码读码光纤 2 1 区域码读码光纤 2 2 一级进位码读码光纤 2 3 二级进位码读码光纤 2 4 一级进位码识别码读码光纤 2 5 二级进位码识别码读码光纤 2 6 读码光纤输出端接口 2 7 透镜 2 8 线阵c c d 在测量码码盘的圆周表面，由光反射面和光吸收面组成测量码码区和区域码码区，编 码的展开图如图2 3 所示( 2 1 测量码2 2 区域码) 。 图2 3 测量码码盘图2 4 一级进位码码盘图2 5 二级进位码码盘 测量码的结构是沿周长方向将测量码区分成若干份，每一份的展开是一个矩形，沿对角 线分成两个斜面是阶梯状的直角三角形，一个是光吸收面一个是光反射面，图中相邻两个区 域的测量码反向( 即第一个区域光反射面光吸收面，第二个区域光吸收面光反射面，第三个 区域光反射面光吸收面的顺序排列) ，是为了避免进位时产生误读。在测量码旁是区域码， 由光反射面和光吸收面构成区域码的若干条码道，与测量码的若干个区域对应在一级进位 码码盘的周面，由光反射面和光吸收组成一级进位码和级进位码的识别码，如图2 4 所示 ( 3 1 一级进位码3 2 一级进位码的识别码) ，图中识别码用于判断一级进位码的首尾，可 9 避免一级进位码在进位时产生误读。在二级进位码码盘的周面，由光反射面和光吸收组成 二级进位码和二级进位码的识别码，如图2 5 所示( 4 1 二级进位码4 2 二级进位码的识别 码) ，图中识别码用于判断二级进位码的首尾，可避免二级进位码在进位时产生误读。 进位式编码盘是由测量码码盘，一级进位码码盘，二级进位码码盘，和两个传动齿轮 组成。定滑轮和测量码码盘固连在同一轴承上，一级进位码码盘和二级进位码码盘套于此 轴承上，可绕此轴承转动。在测量码码盘与一级进位码码盘之间，一级进位码码盘与二级 进位码码盘之间分别有一个传动齿轮，这两个传动齿轮套于另一轴承上，可绕此轴承转动， 该轴承与上一轴承固定在同一支架上，从整体上构成了一个进位式编码盘m ，。 在测量码码盘靠近一级进位码码盘的一侧，有一拨动齿( 即：凹槽) ，而在一级进位码 码盘靠近测量码码盘的一面有一个传动齿轮，当测量码码盘转动一周，测量码码盘上的拨 动齿就会带动测量码码盘与一级进位码码盘之间的连接齿轮转动，而连接齿轮就会带动一 级进位码码盘进一位，连接齿轮两面的齿数比，可决定一级进位码码盘进位时的角位移。 同样，在一级进位码码盘靠近二级进位码码盘的一侧，有一拨动齿，在二级进位码码盘靠 近一级进位码码盘的一面有另一传动齿轮，当一级进位码码盘转动一周，一级进位码码盘 上的拨动齿轮就会带动一级进位码码盘与二级进位码码盘之间的齿轮转动，通过此连接齿 轮带动二级进位码码盘进一位m 1 。 2 3 进位式编码盘的编码方式 在测量码码盘，一级进位码码盘和二级进位码码盘的表面，由光吸收面和光反射面组 成不同的编码方式，其具体的编码结构如下： 2 3 1 测量码码盘的编码方式 首先介绍下测量码码盘的结构：测量码码盘的圆周表面分为测量码码区和区域码码区 ( 由图2 3 可知) 。测量码码区和区域码码区分别由光吸收面( 黑色区域) 和光反射面( 白 色区域) 。由图2 3 可以看出测量码码盘区域可以将园的周长划分为n 个区域，每个区域( 光 吸收面和光反射面) 的展开是矩形，如图2 6 所示： 图2 6 测量码结构图 l o 由图2 6 可以看出测量码的每个区域是由一个光吸收面和一个光反射面构成，且每区 域展开图形都是一个矩形，沿矩形对角线分成两个斜面是阶梯状的直角三角形。同时由于 斜面是阶梯状的形式，即每个阶梯对应一根光纤，这样可以很好的避免读数判断失误，提 高读数的准确度。测量码从第一个区域按光反射面、光吸收面排列，第二个区域就是按光 吸收面、光反射面排列，第三个区域光反射面、光吸收面，按这样的方式一直排到第n 个 区域光吸收面、光反射面排列而成的。 区域码结构如图2 7 所示： ：h l - r 域 l - r _ 图2 7 区域码结构 为便于说明，左侧是测量码区。这样由图2 7 可以看出，区域码是紧靠着测量码的， 对应于n 个测量码区域，则相应的就有n 个区域码，这n 个区域码由n - 1 条码道组成，每 个区域码也是由光吸收面和光反射面组成。在测量码由一个区域进入到另一个区域的界面 时，对应的区域码也由一个区域进入到另一个区域，区域码码道的光吸收面( 或者光反射 面) 的条数会相应的改变。比如，对应第一个测量码区域，区域码码道光吸收面的条数为 零条( 或者是光反射面为n - i 条) ，对应于第二个测量码区域，区域码码道光吸收面的条数 为一条( 或者是光反射面为n - 2 条) ，对应第三个测量码码区，区域码码道光吸收面条数为 两条( 或者是光反射面为n 一1 条) 。依此类推，对应于第个测量码区域，区域码码道光 吸收面的条数为n - 1 条( 或者是光反射面为零条) 。 2 3 2 一级进位码码盘的编码方式 如图2 4 所示，一级进位码码盘的编码方式是在一级进位码码盘的圆周表面，将一级 进位码码盘分成一级进位码码区和一级进位码的识别码码区。 按照一级进位码码区的进位次数n 次设计，对应着测量码的n 个区域和区域码相对应 的n 个区域，将一级进位码码区分为n 个区域。将一级进位码的每一个区域分为n 一1 个码 道，由光吸收面和光反射面组成不同反射面积的反射区域。一级进位码码盘每迸一位，光 反射面就增加一个码道，从零个光反射面码道，一个光反射面码道，直到n - 1 个光反射面 1 1 码道，可以组成n 个不同反射面积的反射面区域。 在一级进位码码区的旁边，对应着一级进位码码区的n 次进位是一级进位码的识别码 码区。在一级进位码两个码区的界面处用光吸收面和光反射面相间构成一级进位码的识别 码，用于识别一级进位码的首尾。设计时，当一级进位码由零个码道为光吸收面区域向一 个码道为光吸收面区域进位时，在零个码道为光吸收面区域和一个码道为光吸收面区域的 交界界面处，一级进位码的识别码为光反射面，此时，可判定是零个码道为光吸收面区域 的结束或是一个码道为光吸收面区域的开始。当一个码道为光吸收面区域向两个码道为光 吸收面区域进位时，在一个码道为光反射面区域和两个码道为光反射面区域的交界界面处， 一级进位码的识别码为反射面区域，此时，可断定是一个码道为光反射面区域的结束或是 两个码道为光反射面区域的开始。以此类推，一级进位码以这样的编码方式设计，可准确 判定进位时一级进位码的首尾，避免一级进位码在进位时出现误读，从而消除进位时由于 编码盘往复旋转时，齿轮间隙产生的回程误差。 2 3 3 二级进位码码盘的编码方式 为了扩大测量的动态范围，二级进位码码盘的编码方式与一级进位码码盘的编码方式 完全相同。n - 1 个码道用光反射面和光吸收面组成n 个不同反射面积的反射面，旁边一个 识别码码道，可区别进位时是一区域的开始还是另一区域的结束。在此将不再做详细说明。 2 4 传输光纤结构 传输光纤( 如图2 8 ) 包括照明光纤和读码光纤，中间部分为读码光纤，读码光纤的两 边是照明光纤。测量码的读码光纤由一组单排混合排列的光纤束( 可以由几百根光纤) 组成， 光纤的输入端与输出端不需要点点相关，宽度与测量码宽度相等，与测量码对应。区域码的 读码光纤由一组与区域码码道数相同的单排混合排列的光纤束组成，输入端与输出端不需 要点点相关，与区域码对应。一级进位码读码光纤由一组与一级进位码码道数相同的单排混 合排列的光纤束组成，输入端与输出端不需要点点相关，与一级进位码对应。在一级进位码 读码光纤的旁边是一根识别码的读码光纤，与一级进位码的识别码对应。二级进位码读码光 纤结构与一级进位码读码光纤相同，二级进位码读码光纤由一组与二级进位码码道数相同 的单排混合排列的光纤束组成，输入端与输出端不需要点点相关，与二级进位码对应。在二 级进位码读码光纤的旁边是一根识别码的读码光纤，与二级进位码的识别码对应。 1 2 图2 8 传输光纤结构 为方便对传输光纤结构进一步认识，下面分别给出测量码码盘读码光纤接口、一级进 位码码盘读码光纤接口、二级进位码码盘读码光纤接口和读码光纤输出端接口这四部分的 接口截面图。 圜 霞 蘑 陶 闰 金属壳 测量码码盘照明光纤 测量码读码光纤 区域码读码光纤 图2 9 测量码码盘读码光纤接口截面图 金属壳 一黜懒秘1 1 6 纤 一级进位码码盘照明光纤 图2 1 0 一级进位码码盘读码光纤接口截面图 金属壳 二级进位码码盘照明光纤 二级进位码读码光纤 图2 1 l 二级进位码码盘读码光纤接口截面图 圈 金属隽 套 州 h h 坷 一 一 h 矗 h 只 矗 h 列 卜一 翼 薹 区辐读码光拜 一缓进位码读码光拜 级进位码识别码读码光拜 二缀进位码读码光拜 二级进位码识别码读码光拜 图2 1 2 读码光纤输出端接口截面图 1 4 本章小结 本章首先给出了系统总体框图，然后逐次介绍了c c d 光纤角位移传感器系统设计原 则、进位式编码盘传动系统的结构原理、进位式编码盘的编码方式和传输光纤结构。每一 部分在介绍的时候分别给出相应的图解。 第三章编码盘理论推导 3 1 测量码结构选择 测量码采用如图3 1 所示的使用光反射面与吸收面检测光信号的结构，而不是采用如 图3 2 所示的使用光反射面与吸收面检测光信号的结构，是避免测量码从一个区域进入另 一个区域的交接处发生误读现象。 图3 1 测量码码盘结构图3 2 测量码码盘结构 我们选择的是对图3 1 ( 对于图3 1 和3 2 的优缺点在我师兄的论文口钔中已经做过比 较了，在此不在详述) 进行改进，如下图3 3 所示： 比较图3 1 和图3 3 ，可以发现两者之间的不同点就是图3 。1 的等腰三角形两边的斜 面是光滑的，而图3 3 中斜面则不是光滑的，是宽度为h 的台阶式的斜面。选择台阶式斜 面是为了提高可靠性，每根光纤对应一个台阶( 如果一根光纤对应几个台阶时，也会出现 大误差) 时，即h d ( d 为光纤直径) 。按此推算，光纤根数可以多，则测量的量也可以很 大，假设是9 0 0 根光纤，但在实际应用中带来一定的困难，因为光纤根数过多，则传输光 纤的成本高，且体积大，难以进行远距离传输，因此我们可以换种方法来做，即保持测量 码盘宽度l 不变，将l 拆为测量码区域l 。和区别码区域l ，这样当测量码光纤根数为3 0 ， 区域码光纤根数也为3 0 的时候，即光纤总根数为6 0 就可以满足图3 3 实现的测量码9 0 0 根光纤实现的测量量，按照上述方法，最终的测量码码盘编码方式如图3 4 所示： 1 6 图3 3 测量码码盘结构 图3 4 测量码码盘结构 3 2 测量精度和动态范围 角位移e 由测量码角位移e ，区域码角位移e ：，一级进位码角位移0 。和二级进位码 角位移e 。组成，所以 口= 岛+ 0 2 + 绣+ 秒4( 1 ) 由于测量码码盘与转轴固连，不会引起误差；一级进位码码盘和二级进位码码盘引入 了识别码，消除了进位时齿轮间隙产生的误差，所以进位时不会产生误差。系统是通过计 数测量码传输光纤点亮的根数实现角位移测量，每点亮一根光纤光反射面横向位移为测量 码传输光纤直径d ，测量码反射面由a 位置移到b 位置，此时对应测量码码盘转过弧长为s ， 由图3 5 中几何关系可得到， s 图3 5 测量码码盘横截面 s = r 0式中r 为测量码码盘半径，0 为测量码光反射面转过的角度 此时对应的角位移为： a 8 ：笪 ( 2 ) r 一 注：光纤直径d 相对于测量码码盘半径r 足够小，s = d 岛= 惕x h o ， n l 为角位移为01 时测量码传输光纤被点亮的根数，若测量码传输光纤 的根数为n l ，则n 1 取o 到n l 。 由( 2 ) 式可以看出，r 越大，s 越小，则a0 越小。所以可通过增大测量码码盘半径 r 和减小光纤直径来提高测量精度。 ( 1 ) 式中区域码对应的角位移0 。，反映了测量码的角位移的积累，若将测量码码盘分 n ：份，则 ，” 秒2 = 刀2 专竺l q 2 取0 至l j ( n 2 - 1 ) ，由区域码测出 ( 1 ) 式中一级进位码码盘的角位移o 。，反映了区域码角位移的积累，即测量码码盘转 过的圈数，若将一级进位码码盘分为n 。份，则 最= 恢2 万 r 1 3 取0 到( n 。一i ) ，由一级进位码确定 ( 1 ) 式中二级进位码码盘的角位移0 。，反映了一级进位码的角位移的积累，即一级进 位码码盘转过的圈数，若将二级进位码码盘分为n 4 份，则 幺= n 4 岛= 7 4 x r x 2 1 r 1 1 4 取。到( n 4 1 ) ，由二级进位码确定 所以角位移 0 - e , + 岛+ 岛+ 砬 = 等+ 他等州2 州嘞砌 ( 3 ) 其系统的测试精度由( 2 ) 式中a0 确定，系统的动态范围( 3 ) 由一级进位码和二级进位码确 定。如果要增加其动态范围，可增加到三级进位、四级进位等等。 例如：假设r = 3 c m ，a s = 2 0 0 u m ( 光纤直径) ，l = 3 0 取，z l = 3 0 ，2 = 3 0 取n 2 = 2 9 ， 3 = 1 0 取= 9 ，4 = 1 0 取n 4 = 9 ，则其精确度为 秒：一a s = 百2 0 0 x 10 。6 ：三= 上。0 0 0 7 朋d 火3 1 0 3 0 01 5 0 其动态范围为 秒= 岛+ 岛+ 包+ 幺 1 8 = 啊等+ 他等w 2 州彬小2 刀 ：3 0 x 2 0 0 x l o - 6 + 2 9 x 2 1 8 0 。+ 9 x 2 1 8 0 。+ 9 x 9 x 2 x 1 8 0 。 3 1 0 13 0 = 3 2 7 4 8 2 。 在上例中选择数据的理由如下： 对于l l 。和n ：选取理由是当两个数的和是定值是，则两个数相等时积最大，又因为r l ： 的取值是在0 到( n ：一1 ) 之间，故选择2 9 。 对于1 1 3 和n ；是越大，则整体的动态范围越大，在n 。和n 4 取值的限制下选择了9 。n 。和 n 4 可以在n 。和n 4 取值范围下相应的改变。 本章小结 本章主要是编码盘理论推导，主要包括测量码结构选择及测量精度和动态范围。在测 量码结构选择中通过逐步分析比较，测量码最终选择台阶式提高测量可靠度；在测量精度 和动态范围中给出具体的计算公式，并举例从理论上推导出起动态范围。 1 9 第四章系统硬件实现 整个系统以单片机w 7 7 e 5 8 为核心，通过复杂可编程逻辑器件c p l d 实现整个系统的控 制。线阵c c d 接收光纤传过来的光信号。a d 转换芯片m a x l1 0 1 完成视频信号数字化转换。 芯片7 4 l s l 6 4 实现数据串并转换。芯片7 4 l s 2 4 4 增强信号驱动能力。存储器芯片i d t 7 2 0 3 实现数据的快速存储，且读写时钟可以不同。液晶l c d 显示数据处理结果。硬件电路分两 大部分来阐述：c c d 电路实现和c c d 采集电路实现。图4 1 为系统的硬件结构框图。 u 3 r u 0 d a t a 数据 n d o s 减法器 la d ( m a x l1 0 1 1 7 4 l s l 6 47 4 l s 2 4 4 r 、 时钟t使能信号 数l 线阵 六路控制信号 角多 c c d 四路驱动信号 写使能信号 位 多 j c p l d f i f 0 ( i d t 7 2 0 3 ) 移 机 构 、谊仕能信县 叭j 数援 i r1r 、l 人 心 发 控铡信号 l q l o 玳f f 3 数据 ? 光 光 l c d c p f f w 7 7 e 5 8 ) 7 4 l s 2 4 4 源 串行显示 图4 1 系统的硬件结构框图 据图4 1 可知数据流向，光耦器件c c d 接收光纤传过来的光信号，在c p l d 产生的驱动 信号的作用下，c c d 将光信号转变成视频信号；因c c d 输出两路信号( o s ：光信号，d o s ： 补偿信号，反应了c c d 的暗电流特性，也反映了c c d 在复位脉冲作用下信号传输沟道产生 的容性干扰) ，采用由运算放大器构成的减法器消除他们之间的共模干扰；减法器输出信号 通过a d 转换成数字信号；因a d 转换是串行输出，故需要接串并转换器件，通过7 4 l s 2 4 4 输出到缓存f i f o 数据接收口；缓存f i f o 输出数据经过7 4 l s 2 4 4 后被读到单片机的接收口； 单片机对接收到的信号进行数据处理，最后通过l c d 显示数据处理结果。其中c c d 驱动信 号、a d 转换器控制信号、7 4 l s l 6 4 时钟信号、7 4 l s 2 4 4 ( 与7 4 l s l 6 4 相接) 使能信号和缓存 f i f o 写信号均由c p l d 来产生；单片机产生缓存f i f o 读信号、7 4 l s 2 4 4 ( 与缓存f i f o 相接) 使能信号和输入c p l d 使之产生f i f o 复位同步信号。因此可知，系统的总体控制信号由c p l d 和单片机共同完成。 4 1c c d 驱动电路实现 该部分电路包括两部分，首先对接收的光信号进行光电转换，然后对输出的视频信号 进行模拟调理。c c d 工作的驱动信号由c p l d 产生。 4 1 1 驱动及控制信号产生电路设计 4 1 1 1 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从