（计算机应用技术专业论文）全自动长度指示表检定仪的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了微机测控技术、光栅测量技术和仪表检定技术，设计实现 了微机全自动长度指示表检定仪。采用分布式系统结构，按功能分成四个 单元，各单元之间通过1 2 c 总线联结。系统通过光栅传感器对位移量采样， 使用正切细分法进行计算，与被检表刻度指示比较，得出被检表的精度等 级，通过液晶显示触摸屏和用户进行交互，通过微型打印机进行结果输出。 设计的长度指示表检定仪基本符合国家质量技术监督局的指示类量具检定仪 检定规程，具有自动化程度高、精度高、操作灵活和使用方便等特点，得 到该行业内专家的好评，具有推广应用价值。 关键词：指示表检定仪，微控制器，光栅传感器 a b s t r a c t t h isp a p e rs t u d i e sc o m p u t e rm e a s u r e m e n ta 1 1 dc o n t l o lt e c l l i l o l o g ) ，鲫t i n g m e a s u r e m e n t t e c h n 0 1 0 9 ) ， a 1 1 di n s t n l r i l e n tc a l i b r a t i o nt e c l l l l o l o g y ， d e s i 印s a 1 1 d i m p l e m e n t st h ea u t o m a t i c t e s t e rf o rl e n 舒hd i a lg a u g e t h ea u t o m a t i ct e s t e r 诵n l d i s t 曲u t e ds y s t e ms t m c t u r ei sd i v i d e di n t of o u rm o d u l e sb y 丘m 嘶o nv 越c ha r ec o u p l e d b yi z cb u s t h es y s t e ms a m p l e st h ed i s p l a c e m e n tb yg r a t i n gs e n s o r c a j c u l a t e sl l s i n g t a n g e n ts u b d i v i s i o nm 砒o d ，c o m p a r e sm es 弧p l ed i s p l a c e m e n t 、航mm ed i s p l a c e m e n t o fm ed i a lg a u g e ，o b t a i n st h ep r e c i s i o nl e v e l ，i n t e r a c t s 、i t l lu s e r sb y 也el c d t o u c h - s c r e e n ，a n dp r i n t so u tt h er e s u l tb ym i c r op r i n t e r t h ed e s i g no fa u t o m a t i ct e s t e r f o rl e n 舀hd i a lg a u g eb a s i c a l l ya c c o r d s 晰t l lv e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o no ft e s t e rf o rd i a l i n d i c a t o rg a u g e si s s u e db ys u p e r v i s i n gd e p a r t m e n to fq u a l 时a n dt e c h n o l o 钉o f c h i n a 1 1 1 ei n s t 门l m e n th a l sf e a t u r e so f1 1 i 曲a u t o m a t i z a t i o n ，h 诎p r e c i s i o n ，n e x i b l ea n d c o n v e n i e n to p e r a t i o na 1 1 ds oo n ，r e c e i v e st 1 1 ep r a i s eo f e x p e r t s ，w i t hv a j u eo f p o p u l 撕z a t i o na n d u s e y uf e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f h u a n gz h i q i a n g k e yw o r d s ：d i a lg a u g et e s t e r ，m i c r o c o n t r o l l e r ，g r a t i n gs e n s o r 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了微机测控技术、光栅测量技术和仪表检定技术，设计实现 了微机全自动长度指示表检定仪。采用分布式系统结构，按功能分成四个 单元，各单元之间通过1 2 c 总线联结。系统通过光栅传感器对位移量采样， 使用正切细分法进行计算，与被检表刻度指示比较，得出被检表的精度等 级，通过液晶显示触摸屏和用户进行交互，通过微型打印机进行结果输出。 设计的长度指示表检定仪基本符合国家质量技术监督局的指示类量具检定仪 检定规程，具有自动化程度高、精度高、操作灵活和使用方便等特点，得 到该行业内专家的好评，具有推广应用价值。 关键词：指示表检定仪，微控制器，光栅传感器 a b s t r a c t t h isp a p e rs t u d i e sc o m p u t e rm e a s u r e m e n ta 1 1 dc o n t l o lt e c l l i l o l o g ) ，鲫t i n g m e a s u r e m e n t t e c h n 0 1 0 9 ) ， a 1 1 di n s t n l r i l e n tc a l i b r a t i o nt e c l l l l o l o g y ， d e s i 印s a 1 1 d i m p l e m e n t st h ea u t o m a t i c t e s t e rf o rl e n 舒hd i a lg a u g e t h ea u t o m a t i ct e s t e r 诵n l d i s t 曲u t e ds y s t e ms t m c t u r ei sd i v i d e di n t of o u rm o d u l e sb y 丘m 嘶o nv 越c ha r ec o u p l e d b yi z cb u s t h es y s t e ms a m p l e st h ed i s p l a c e m e n tb yg r a t i n gs e n s o r c a j c u l a t e sl l s i n g t a n g e n ts u b d i v i s i o nm 砒o d ，c o m p a r e sm es 弧p l ed i s p l a c e m e n t 、航mm ed i s p l a c e m e n t o fm ed i a lg a u g e ，o b t a i n st h ep r e c i s i o nl e v e l ，i n t e r a c t s 、i t l lu s e r sb y 也el c d t o u c h - s c r e e n ，a n dp r i n t so u tt h er e s u l tb ym i c r op r i n t e r t h ed e s i g no fa u t o m a t i ct e s t e r f o rl e n 舀hd i a lg a u g eb a s i c a l l ya c c o r d s 晰t l lv e r i f i c a t i o nr e g u l a t i o no ft e s t e rf o rd i a l i n d i c a t o rg a u g e si s s u e db ys u p e r v i s i n gd e p a r t m e n to fq u a l 时a n dt e c h n o l o 钉o f c h i n a 1 1 1 ei n s t 门l m e n th a l sf e a t u r e so f1 1 i 曲a u t o m a t i z a t i o n ，h 诎p r e c i s i o n ，n e x i b l ea n d c o n v e n i e n to p e r a t i o na 1 1 ds oo n ，r e c e i v e st 1 1 ep r a i s eo f e x p e r t s ，w i t hv a j u eo f p o p u l 撕z a t i o na n d u s e y uf e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f h u a n gz h i q i a n g k e yw o r d s ：d i a l g a u g et e s t e r ，m i c r o c o n t r o l l e r ，g r a t i n gs e n s o r 声明户口明 本人郑蕈声明：此处所提交的硕士学位论文全自动长度指示表检定仪的设 计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 歪 日 期： v 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 蟊：坠 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的选题背景及意义 第一章引言 随着经济全球化的深化，中国加入w t 0 之后，由于中国的劳动力成本较低，伎 得越来越多的跨国企业开始在中国建立工厂，中国进入一个经济高速发展的时期。 在经济发展初期，我们作为一个“世界加工厂”的角色，制造业得到了很大的发展， 但很多高端的关键技术仍然被国外的一些企业所垄断。这就要求我们要尽快的自主 研发出在行业领域内具有世界先进水平、科技含量高的产品。 百分表、千分表等长度指示表是常用量具，在科研生产部门、工矿企业及工程 技术单位应用相当广泛，尤其在机械制造行业，更是此类企业保证产品质量，提高 生产效率的关键。由于此类长度指示表使用频率高，很容易产生误差，计量检定部 门和应用此类指示表的生产企业需要经常定时对其进行校验，以保证生产企业日常 生产工作的顺利进行，同时仪表生产企业还需要对仪表示值误差进行准确检定，以 判断其是否合格，而对这种指针式长度指示表进行检验是一项经常性的、劳动强度 大的工作。 传统的百分表、干分表的检定方法，是采用组合不同长度的标准量块组为尺度 基准，或采用具有刻度的高精度测微机构为长度基准，然后由检定人员做瞄准、读 数、记录等工作来对百分表、千分表等指示表进行检定。n3 这种检定方法采用人工 目视读数使得精度低、可靠性差、重复性差；只能进行有限位置的定点检定，灵活 性和通用性差；检定人员的劳动强度大，工作效率低，造成计量检定部门和仪表生 产企业对此类仪表的检定周期延长，使产品质量得不到有效保障。 针对传统检定方法的缺陷，一些仪表专业生产企业开发了一种微机控制的长度 指示表检定仪，实现了对长度指示表检定的半自动化，但是这种检定仪仍然存在一 些功能上的缺陷。在进行检定的过程中，需要操作人员的大量参与，被测表表头的 给进需要操作人员手工来进行，被测表的指示数值需要操作人员人工读取，使得检 定的准确度下降，工作效率极低。 由于上面所述检定方法所存在的缺点，综合微机测控技术、光栅测量技术和仪 表检定技术研制出一种具有高效、准确特点的全自动长度指示表检定仪，将会极大 的提高常用长度指示仪表的检定效率和检定精度，使得计量检定部门和应用此类计 量仪表的工矿企业，尤其是机械加工企业，在对长度指示仪表进行检定时的工作效 率大大提高。生产企业尤其是机械加工企业的生产效率得以提高，产品的质量得到 保证。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题在国内外的研究动态 随着科学技术向微小领域的不断深化和纳米技术的快速发展，最近十年来，计 量光栅技术也逐渐向纳米领域靠近。目前，用于精密测量的长光栅的栅距基本上都 在2 0um 至1um 之i 刨，要想在保证线条质量和精度的前提下进一步提高光栅的线 密度，不仅工艺上很难实现，而且栅距与光波波长相当的光栅在信号的拾取和使用 上也存在诸多困难乜1 。用进一步提高光栅线密度的方法来获得高分辨率的潜力是有 限的。因此，深入研究光栅纳米测量技术，研制出量程较大、体积小巧、使用方便、 价格低廉的实用的光栅纳米测量传感器，具有重要的理论和实践意义姑1 。 经过无数专家和学者的努力，我国目前在光栅测量技术领域取得了相当大的进 步。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室多年来，在一代又一代的学科带 头人的带领下，在光栅测量技术领域研究出了大量的学术成果并取得了很好的应用 价值。目前已经提出并测试了精度达到2 纳米的光栅测量技术方法。北京光电量仪 研究中心也在这方面取得了很多科研成果。 现代微机技术、光栅测量技术、机械技术和光学技术的不断进步和发展给计量 检定仪器带来了革命性的影响，也对计量检定仪器提出了更高的要求。 一些工业发达国家在仪器仪表机电一体化技术和数字图像处理技术等方面的 研究比较早，在仪器仪表自动检定方面的应用也比较成熟。世界三大量具制造商之 一的德国m a h r 集团已经开发出来了的o p t i m a r1 0 0 表类检查仪虽然准确度比较高， 但是它对指针式仪表的检验测量程序只是实现半自动的检定过程，为适应市场的需 要，该公司开发了另一种p r e c i m a rd g v1 0 0 型全自动表类检定仪，该检定仪通过 数字摄像头和图像处理软件完成被测表的读数检测，运用步进电机完成被测表头给 进，能够自动的完成检测过程，但是该种类仪器价格昂贵，对其设计和制造的技术 资料作为商业机密不予公布。 目前在国内的测量仪器仪表领域，有些项目已达到或接近国际先进水平，但在 全自动检定仪的研究上与国际先进水平相比，还有一些差距，大多数研究出来的产 品都或多或少的存在一些缺陷。市场上出现的所有此类检定仪在长度测量部分都是 采用光栅传感器测量被测表头给进值的方法，很多的研究产品都称作是全自动，但 是还不完善，在检定的过程之中还是需要操作人员的参与。郑州三同量仪有限公司 生产的g z j c 型光栅式指示表检定仪和s j 一2 0 0 0 型全自动指示表检定仪，g z j c 型 在进行检测时对指示表的数值的读取需要操作人员来完成，使得最终的检测结果会 出现一些人为误差。s j 一2 0 0 0 型虽然实现了被检定表数值的自动读取，但是检测台 采用的是卧式检测台，使得长度指示表在被检测时状态与正常工作时不一致，增加 了检测时的误差。而且整套的设备需要一个操作台，占据了一个很大的空间，同时 2 华北电力大学硕士学位论文 打印机外置也给检定工作的自动完成造成了一定的障碍。西安特种仪表研究所研制 生产的全自动光栅式指示表检定仪也是采用光栅传感器测最被测表头给进值，由 p c 机发信号给控制箱内微处理器控制伺服电机驱动光栅和被检指示表产生位移， 用图像处理软件完成对被测表数值的读取。其整台检测仪仍在一个很大的工作台 内，检测台也是卧式的。 1 3 课题的主要工作 本课题通过研究微机测控技术、光栅测量技术、机械技术和光学技术，设计实 现了具有高精度的长度指示表检定仪。课题的主要工作如下： ( 1 ) 阐述了课题的背景和意义，分析了长度指示表检定仪及其相关技术在国内 外的研究动态。 ( 2 ) 研究了长度指示表检定仪所涉及到的微机测控技术、光栅技术原理、光栅 传感器工作原理、各种光栅细分方法、长度指示表检定仪的工作原理和工作过程。 ( 3 ) 根据微控制器高集成度的特点，采用分布式结构设计了长度指示表检定仪 的硬件结构和软件结构以及整个长度指示表检定仪的工作方式，利用多个微控制器 及外围电路的配合工作实现了长度指示表检定仪的功能。 ( 4 ) 按照国家质量技术监督局的指示表( 百分表和千分表) 检定规程，对长度指 示表检定仪的检定精度进行了测试、分析和评定，找出了影响长度指示表检定仪精 度的误差因素及产生的原因，综合评定了系统的精度。 ( 5 ) 设计实现了工作在w i n d o w s 环境下的长度指示表检定仪信息管理p c 机软 件，使长度指示表检定仪能够更好的与用户进行交互，同时为系统的一系列产品提 供工作基础。 ( 6 ) 总结了取得的成果，提出了下一步应该进行的工作。 华北电力大学硕士学位论文 第二章光栅测量技术、长度指示表检定技术和微机测控技术 2 1 光栅测量技术 光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散( 分解为光瑶) 的光学元 件扫。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝( 刻线) 的平面玻璃或金属片。光栅的 狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。 一百多年以前光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长测定等 工作。但是，将光栅实际应用到长度计量及机床数控等领域，则是本世纪五十年代 以后的事。在最近一二十年内，光栅技术在工业计量领域中的应用得到了飞速的发 展。1 2 1 1 光栅技术原理 光栅式测量大多数是利用两块光栅迭合时所形成的葜尔条纹来进行的。当两块 光栅咀微小交角相对倾斜重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上，将看到明暗交 替的条纹这就叫莫尔条纹( m o i r 6f r i n g e ) 3 。莫尔( m o ir e ) 是法语，意思是在水 面产生的波纹，两块光栅选合时，也产生类似花样，故由此得名啼。图2 1 a 所示即 为一个黑白型光栅的一部分。光栅上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为 b ，不透光的缝宽为a ，一般情况下，透光的缝宽等于不透光的缝宽，即8 = b ，图中 d = a + b 为光栅栅距( 亦称光栅常数或光栅节距) 。把两块黑自型光栅刻线面对面迭合， 并使两块光栅的栅线形成很小的夹角p ，这时，在与线垂直的方向上就出现明暗相 间的条纹。 如图2 1 b 所示，i 为暗条纹，i i 为亮条纹，这种条纹被称为莫尔条纹。两条 亮条纹( 或两条暗条纹) 之间的距离称为莫尔条纹间距，图2 1 b 中表示为耳。 图2 1 光栅与莫尔条纹 4 华北电力大学硕士学位论文 下面来说明光栅式测量的基本原理。当两块刻线面互相面对迭合的长光栅尺， 沿垂直于栅线方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的方向相应 地移动。两块光栅尺相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。如果不考虑 光栅的衍射作用，而且假设两块光栅接触迭合，又设它们的栅距相等，缝宽和线宽 相等，则根据简单的遮光原理，在图2 1 b 的位置i 处，两块光栅的栅线彼此完全 遮光，透光量为零，在位置i i 处，两块光栅的栅线不彼此遮光，透光量最大，此 时光通过两块光栅后的光能量分布将是一个三角波，如图2 2 a 所示。但实际中， 光栅有衍射作用，而且为了避免两光栅尺在作相对运动时的擦碰，两光栅尺之间必 须有适当的间隙，此外，照明光源有一定宽度，光栅尺的缝宽和线宽或略有不等。 由于这些原因，故实际的光能量分布将是一个近似的正弦波，如图2 2 b 所示。根 据上述光能量的分布情况，显然，如果在两块光栅的背面设置一个光栏，并用光电 元件接收透过两块光栅的光能量，则光电元件的输出信号将随着两块光栅尺处于不 同的相对位置而有强弱的变化。并且，光电元件输出信号的周期数必将与两块光栅 尺相对移过的栅距数相同步。即两块光栅尺相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个 间距，光电元件送出一个信号。h 。6 1 v 八八一 _ 一 0 x a 二入、- 一八、 v o x b 图2 2 光栅信号波形 在实际光栅式测量系统中，上述一对光栅付中的一个光栅尺固定不动，另一个 光栅尺随测量工作台一起移动。测量工作台每移过一个栅距，光电元件发出一个信 号，计数器便记取一个数。这样，根据光电元件发出的、或计数器记取的信号数， 便得知可动光栅尺移过的栅距数，也即测得了测量工作台移过的位移量。这就是光 栅式测量系统进行长度测量或位移测量的基本原理。 2 1 2 信号细分的方法 目前国内外在长度计量领域中所用长光栅栅距大多在2 0 帅1 ，但是用光栅 系统测长的分辨率往往要求达到0 1 帅，因而仅靠光栅栅距本身的分辨率满足不了 精密测量的高分辨率要求，因此必须采用莫尔条纹的细分技术来提高光栅系统的分 辨率。 莫尔条纹的细分方法有光学细分法、机械细分法和电子细分法等几种。为了自 s 华北电力大学硕士学位论文 动测量和将测量结果数字显示，光学细分法和机械细分法都离不开电子技术，因此， 在实际应用中，电子细分法应用最为广泛。电子细分法又分为硬件细分和软件细分。 我们在这里简要的介绍几种电子细分方法。 。 2 1 2 1 四倍频直接细分法 这种细分法是在一个莫尔条纹宽度内，按一定间隔适当地放置四个光电元件， 使这四个光电元件输出的电信号相位依次差9 0 。对于长光栅系统，由于莫尔条纹 方程是直线方程，可以均布四块硅光电池来获得四相正交信号以实现四细分，如图 2 3 所示。 6 7 3 图2 3 4 四倍频直接细分原理图 在通常情况下，光栅移过一个栅距，莫尔条纹变化一周期。由于光栅付是个谐 波发生器，因而用四倍频直接细分法获得的四路信号可表示为： = 甜l o + 甜i ts i n 七秒 七i l 材2 = 扰2 0 + ”2 is i n 七p 忉2 ) 材22 扰2 0 + 2 二”2 is l n 髟v + 万z j 七= l “3 = z f 3 0 + 甜3 女s i n 七p + 万) “3 2 z f 3 0 + 2 一甜3 女s l n 庀拶+ 万j 七= l “4 = 甜4 0 + “4 is i n 尼p + 3 万2 ) “42 甜4 0 + 2 l 一“4 is l n 庀拶+ 3 万2 ， ( 式2 一1 ) ( 式2 2 ) ( 式2 3 ) ( 式2 4 ) 式中“l o 、材2 0 、z ，3 0 、甜4 0 分别为四路信号中的直流电平；i 、材2 t 、甜3 i 、“4 t 分 别为四路信号各次谐波的振幅。 用四倍频直接细分获得的四相信号经过差接或反相信号反向并接后，便获得相 位差9 0 。的两路信号甜涮和鲫，为了获得计数脉冲和辨别方向，需要把这两路信 号整形，再经过适当的逻辑组合便可得到可逆计数的主脉冲。 图2 4 是四细分的一种逻辑图，它用运算放大器对由光电元件d g 。、d g 。、d g 。、 d g 。获得的输入信号进行差接放大。输出的四路信号分别为s i n 秒、一s i n 秒、c o s 矽、 一c o s 秒，各自送到鉴零器整形成方波。鉴零器用来鉴取莫尔条纹信号的零值，即在 6 华北电力大学硕士学位论文 信号的过零点上触发，获得和输入信号过零点相对应的方波t 。、t ：、t 。、t 。，这样便 在信号的个周期内发出四个计数脉冲实现了四细分。 t 1 图2 4 四倍频直接细分逻辑图 上述分析表明，在一个莫尔条纹宽度内，直接配置四个光电元件，可以得到四 相信号，经过四细分电路便得到脉冲当量为d 4 的计数脉冲。如果在一个莫尔条纹 宽度内，配置t 个光电元件，那么便得到t 倍位置细分系统。通常把t 个光电元件 做成一个组件，称为二极管列阵，这种细分法称为二极管列阵法。 四倍频细分线路简单，对信号无严格要求又可实现可逆计数和动、静态测量， 其分辨率也可满足一股数控机床的要求，因而得到广泛的应用。同时，四倍频细分 的信号获取法( 获得四相信号) 又是许多种电子细分的基础，故它是十分重要的。 2 1 2 2 矢量运算细分法 矢量运算法的基本原理是：当两个幅值相等但相角不同的矢量，通过差分放大 器进行加法或减法运算以后，所得新矢量的相位不同于原来的两个矢量，这样，进 行多次运算就能在一个莫尔条纹信号周期内，获得数量更多的具有恒定相移的正弦 波形，从而达到细分莫尔条纹的目的。在矢量运算法中，为了运算规律简单，一般 要求各原始信号的幅值相等，同时令各差分放大器进行减法运算，以便抵消直流电 平和其它共模干扰。图2 5 是1 0 倍频的矢量运算电器原理图，原始信号是用四极 硅光电池直接接收的四相信号，其相位分别为0 。、7 2 。、1 4 4 。、2 1 6 。，各信号 之间有恒定的7 2 。的相移。这可以通过调节莫尔条纹的宽度，使四极硅光电池的宽 度等于莫尔条纹宽度的4 5 即可。晦6 ，7 1 7 华北电力大学硕士学位论文 上，2 口l “s 翻7 “b 占r 9 甜 曩6 如 图2 51 0 倍频的矢量运算电器原理图 差分放大器a 将硅光电池l 、3 输出的原始信号进行减法运算，得矢量玩，玩反 相得玩。差分放大器b 将硅光电池2 、4 输出的原始信号做减法运算，得矢量玩及 其反相信号玩。玩和玩用放大器k 。、k 。分别作幅度调整后送到差分放大器c 做减法， 其输出为承及其反相信号玩，并使蟊、磁、玩、玩的幅值相等。差分放大器d 将历， 和玩做减法，输出为西和玩：差分放大器e 将玩和厅。做减法，输出为玩和玩。；放 大器k ：、k j 、k t 、k e 做幅度调整，使历2 、玩、易、玩、玩、玩、面、蟊。幅度相等。 这样就得到了1 0 个相位互差3 6 。且幅度相等的正弦信号，达到了1 0 倍频的目的。 鞫 图2 6 矢量运算细分电器原理图 图2 6 是这种细分的电器原理图，差分放大器i c l 、i c 2 、i c 3 、l c 4 、i c 5 做减 8 华北电力大学硕十学位论文 法运算，输出的五路信号i 、i i 、i i i 、v 相位依次差3 6 。，再用施密特触发器 将此五路信号整形，每个触发器后面又带两级倒相器，便获得相位依次差3 6 。的 1o 路方波。此1 0 路脉冲信号经过适当地逻辑组合及微分与门( 由及r 、c 。和d 组 成) 实现辨向和产生计数脉冲。当光栅正向移动时，上面l o 个微分与门相应开启， 光栅反相移动时，下面10 个微分与门相应开启，所以既可实现1 0 细分又可辨向和 可逆计数。 采用图2 5 或图2 6 的各自两组相同线路组合，便可实现2 0 细分。当细分倍 数更高时，就要用多组这样相同的线路组合，可见线路变得更加庞杂，所以这种细 分很少用作高倍细分。此外，这种细分法的精度受莫尔条纹信号质量影响很大，这 是矢量细分很少用于高倍细分的另一原因。 2 1 2 3 移相电阻链细分法 移相电阻链细分法的原理是将两个相位不同的交变信号施加在电阻链的两端， 由于电压合成的移相作用，在电阻链的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的 一系列移相信号，再用鉴零器对它鉴幅、整形便可在莫尔条纹一个周期内得到若干 个脉冲信号而达到细分的目的。 根据移相电阻的接法不同，电阻链细分又分为串联电阻链细分和并联电阻链细 分，分别如图2 7 ，图2 8 所示。 图2 7 并联电阻链细分原理图图2 8 串联电阻链细分原理图 2 1 2 4 相位调制细分法 相位调制细分的基本原理就按照三角函数中的两角和的公式来实现的： s i n 纠c o s 秒+ c o s 纠s i n 秒= s i n ( 烈+ 矽)( 式2 5 ) 9 华北电力大学硕十学位论文 图2 9 相位调制细分原理框图 图2 9 为相位调制的原理框图，可以看出从加法器得到的s i n ( 国t + 口) 信号与 基准信号s i n t 比较相位，就可以得到反映光栅付位移的相位角口，用代表秒的方 波来控制时钟脉冲的通过，通过的时钟脉冲即计数脉冲，电路的细分数由分频电路 的分频数确定。 2 1 2 5 幅度分割式电子细分法 幅度分割式电子细分是用与相位有关的信号幅度去与参考电压相比较并发出 细分脉冲信号。幅度分割式细分按其切割方法不同可分为用脉动直流电压切割三角 波电压；用脉动直流电压切割正、余弦信号；用三角波电压切割三角波电压等几种 【3 】 o ( 1 ) 用脉动直流电压切割三角波电压的细分法 这种细分法是用模拟运算放大器对经过差分运算后的莫尔条纹信号进行模拟 运算处理，以便获得三角波电压和脉动直流参考电压，再用电阻链对脉动参考电压 分压而得到一组幅值不同的电压。用这组电压对三角波进行分割( 电压比较) ，在分 割点用电压比较器形成若干路方波，再经过适当的逻辑组合便可得到要求的细分脉 冲。 ( 2 ) 用脉动直流电压切割正、余弦信号的细分法 这种方法是用脉动直流电压直接去切割正、余弦信号来进行细分，因而线路简 单，所用元件也减少了。为了避免正、余弦信号波项部分斜率小的影响( 使切割灵 敏度降低) ，而只利用了正、余弦信号相交点阻下的斜率较陡部分，这样做虽然仍 1 0 华北电力大学硕十学位论文 存在由于各切割点处斜率不同而带来的细分误差，但可以用调整法来调整脉冲均匀 性，从而减小该项误差。 ( 3 ) 用三角波电压切割三角波电压的细分法 前面两种幅度切割细分都是用脉动直流参考电压去与正、余弦信号或三角波信 号电压进行比较，它们在每个细分点的电压斜率基本上是原输入信号的斜率。为了 进一步提高鉴幅灵敏度，可采用一个与三角波信号电压变化趋势相反的三角波电压 作比较电压，把这两个电压同时加到比较器的两个输入端作差量输入鉴幅，这样可 使细分精度有所提高。 以上所述为传统的硬件细分方法，这些传统的硬件细分方法存在着不同的缺 点。对于直接细分和移相电阻链细分，他们的缺点是只适合低细分数情形，精度低。 移相电阻链细分要获得大的细分数，则需要较多的电阻链、较大的驱动功率、较多 的元件，因而不适合高细分数情形。对于相位调制细分，电路要求调制信号的频率 要远高于莫尔条纹信号的频率( 即光栅付相对移动速度) ，一般为5 0 倍以上，因为 莫尔条纹信号的前后沿是门控信号，如果莫尔条纹信号的频率与调制信号频率相差 不大，在动态测量时就会产生误差，因为门控信号的前后沿不是处于光栅付的同一 位置状态下。另外信号正弦性不好( 即高次谐波成份大) 对细分有较大的影响，要求 滤波器对高次谐波有较好的抑制效果。另外，由于这种细分方法的频率响应特性不 好，对莫尔条纹信号质量有时要求极其严格，所以不常使用。 2 1 2 6 正切细分法 现在测长领域对测量精度的要求越来越高，必然就要求有非常高的细分份数， 鉴于硬件细分的上述缺点，传统的硬件细分难以满足需要，采用微控制器进行软件 细分的方法应运而生。 下面介绍一种经常使用的正切细分法。当光栅付移动时，产生两路相差9 0 。的 正弦信号u 。= u 。s i n 臼与u ：= u 。c o s 秒，因为两路信号之间有9 0 。相位差，因此可 以看成是一路正弦信号，一路余弦信号，这样可以根据正切函数在o 。4 5 。范围 内线性较好，斜率较大，单调递增的特点，将两路信号进行相除，得到在采样点的 正切值，从而消除了信号幅值波动和非线性对细分的影响，得到比较精确的细分值 1 。其原理图如图2 1 0 所示。 一个整周期信号间隔4 5 。平均分成8 段，如图2 1 0 所示，可保证正( 余) 切信号 在每一段内的单值性和单调性。微控制器控制a d 采样芯片进行光栅信号数据采集， 然后比较一下u 。s i n p 和u 。c o s 乡，将绝对值相对较小的信号值作分子，以绝对值相 对较大的信号值作分母，二者相除，可以使t a n 或c o t 值落入o l 区域内，这样可以 保证有足够的运算精度，然后根据其商的大小查表得出在4 5 。相位角的小区域内的 l l 华北电力大学硕士学位论文 细分值。再根据s i n 臼和c o s p 的正负以及二者绝对值的大小，计算出信号所处的区段 基值，将区段基值和细分值相加就得出了一个周期内的细分结果。再结合微处珲器 采集到的光栅传感器信号整周期的个数，就得出最终的位移距离。 k 七o g 5 x | 、。、，厂、 一 、 。 ， ， ， ， ， ， ， ， 兀 肖 尢丙 ， 庀 图2 1 0 正切细分法原理图 2 2 长度指示表检定仪技术 光栅式长度指示表检定仪是根据当前的技术形势，结合了计算机测控、光学、 机械等多门学科的知识而成的一种高精度的长度测量仪器。下面简单的介绍一下长 度指示表检定仪的工作原理和工作过程。 2 2 1 长度指示表检定仪的工作原理 长度指示表检定仪包括光栅传感器、信号采集、信号处理和信号输出等几个部 分。光栅传感器将等间距的莫尔条纹的变化通过光电部件的采集变成两路相位相差 9 0 。的f 弦波，信号处理电路对此信号进行整形放大得到两路幅值和相位满足细分 要求的正弦波，同时对此信号进行鉴零比较，得到两路与正弦波对应的代表光栅信 号整周期个数的方波信号。微控制器控制a d 采样芯片对两路正弦波信号进行采样、 处理和计算，结合细分电路传输过来的方波信号，分别得到计量位移长度的大数信 号和小数信号，微控制器对这两路信号进行处理后得到实际的位移长度，和夹装在 检定仪上的被检表表盘指针转过长度进行比较后得出被检表的误差，与国家质量技 1 2 华北电力大学硕士学位论文 术监督局的指示表( 百分表和千分表) 检定规程对比后得出被检表的检定等级。 2 2 2 长度指示表检定仪的工作过程 用长度指示表检定仪进行长度指示表检定时的工作过程主要有以下几步： ( 1 ) 被检表的安装将被检表在长度指示表检定仪的夹具上面央好，对被检表的 指示值进行调零操作。 ( 2 ) 检定设置打开长度指示表检定仪的电源，此时长度指示表检定仪内各个微 控制器上电开始工作，液晶显示触摸屏显示相应的功能提示，用户通过点击液晶显 示触摸屏的相应键值进行对被检表检定参数的设置和选择。当液晶显示触摸屏检测 到屏幕被触摸后，由液晶显示触摸屏微控制器判断用户触摸的键值，将此键值和此 时显示的界面号发送到主微控制器，主微控制器根据界面号和键值来判断用户选择 的操作，对用户的操作做出相应反应，将用户设置的被检表检定参数存储，并发送 相应的命令和显示内容给液晶显示触摸屏，通过液晶显示触摸屏的显示告知用户。 ( 3 ) 表的检定用户通过点选液晶显示触摸屏的相应键进入检定界面，先进行正 程检测的清零，液晶显示触摸屏检测到用户的选择，由液晶显示触摸屏微控制器进 行键值的判断并发送给主微控制器。主微控制器接收到液晶显示触摸屏微控制器发 送来的信息，发送一个采样的命令给光栅采样微控制器。光栅采样微控制器接收到 主微控制器发送来的命令，对光栅信号采样、计算和处理后得到一个基值，同时给 主微控制器发送这个值。主微控制器接收到这个基值进行存储，并发送给液晶显示 触摸屏微控制器一个清零完成的值，液晶显示触摸屏显示给用户清零的结果。此时 由用户转动手柄使被检表指针转过设置好的检定分度，再次点击数据采样，此时由 液晶显示触摸屏微控制器将此键值传送给主微控制器，主微控制器根据这个键值再 次发送采样命令给光栅采样微控制器。在用户转动手柄时，光栅采样微控制器实时 的采集光栅传感器移动过的整周期个数，并进行记录，接到主微控制器的采样命令 后，控制a d 采样芯片采集此时的光栅信号值，通过软件细分得到一个周期内的细 分值，结合之前采得的整周期个数，得到用户此次转动手柄移动过的总长度，并将 此长度发送给主微控制器。主微控制器将此次检测的值减掉上次的基值后与根据用 户设置的检定参数计算得到的标准值进行比较，得到此次误差，并将这个结果发送 给液晶显示触摸屏微控制器，由液晶显示触摸屏微控制器将这个结果显示给用户。 用户重复进行上述操作到检定参数设置的检定范围为止。然后用户开始进行返程清 零和返程采样，其过程和正程采样的过程相同。直到回到采样的初始点为止。 ( 4 ) 表级别的判定全部的采样结束后，用户点选液晶显示触摸屏上面的计算结 果按键，由液晶显示触摸屏微控制器发送此键值给主微控制器，由主微控制器根据 在采样过程中采集到的各个采样点的数据，按照国家标准进行对被检表的等级判 1 3 华北电力大学硕士学位论文 断，并将被检表的最终等级结果和各个范围内的误差值发送给液晶显示触摸屏显示 给用户。 ( 5 ) 结果打印用户可以将此结果通过检定仪内置的微型打印机打印出来。 ( 6 ) 关闭电源全部检定完成后，用户可以点选液晶显示触摸屏上面的相应键选 择关机操作。当液晶显示触摸屏上面提示可以关闭电源后，用户关闭长度指示表检 定仪电源，结束此次检定操作。 2 3 微机测控技术 测控技术的发展和应用是与生产和科学技术的发展分不开的。在手工生产阶 段，人们对产品的质量要求不高，对产品的数量要求不多。因此采用手摸、目测的 方法，再以手或脚去控制加工工具或简单生产机械来进行生产。n 们在单机生产阶段， 原有的测试方法已不能满足要求。随之就产生了与之相适应的指针式仪表等简单测 试仪器，用以作为手工控制的依据。在大规模生产机械化、自动化阶段，产生了各 种不同的检测元件、仪器仪表及装置，以适应机械化或自动化生产的需求。在现代 化生产阶段，为了提高产品质量、提高效率、减轻劳动强度、改善劳动环境、安全 生产和节省能源等，自动化生产的水平越来越高，特别是随着科学技术的发展、大 规模集成电路及微型计算机的出现和发展，测控技术有了更高发展，产生了各种类 型的微机测控系统。 2 3 1 微机测控系统 微机测控系统诞生于2 0 世纪6 0 年代，初期应用于工业生产过程控制，随着微 处理机的出现和推广应用，使人类的工作和生活环境发生了深刻的变化。微机测控 系统的内容一般包括：各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系 统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等1 ，广泛用于航空航天、核科学研究、工 厂自动化、实验室自动测量和控制，以及办公自动化、商务自动化、家电自动化等 人类活动的各个领域。 2 3 1 1 微机测控系统的组成 微机测控系统随着应用目的不同，具有各种不同的形式。但其基本组成如图 2 1 1 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 厂 l 数据 i i 处理 i i一 图2 1 1 典型微机测控系统组成框图 微机测控系统主要由测控对象、传感器、执行机构、微机、输入接口、输出接 口和控制台等组成。微机测控系统的工作过程一般为： ( 1 ) 数据采集通过传感器将与被测参数相对应的信号采入微机。在实施采集 的过程中，包含着微机对数据采集过程的控制。 ( 2 ) 数据处理由微机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数相对 应的测量结果，据此结果实施控制算法并决定进一步的控制过程。 ( 3 ) 控制输出由微机适时地对控制机构发出控制信号实现实时控制，将数据 处理的结果送显示装置或打印输出。 2 3 1 2 微机测控系统的类型 以微机为中心的测控系统，按照功能和侧重点不同，可以分成以下几种类型： ( 1 ) 程序控制系统 程序控制的基本思想是将被控对象的动作次序和各类参数输入微机，然后微机 执行应用程序，按照次序一步一步地控制对象动作，以达到预期的目的。例如：机 床的微机控制、运输机等设备的顺序控制等。由于这种系统所控对象的动作次序是 按照预先安排好的程序动作，因此该系统也称之为顺序控制系统。 ( 2 ) 过程测控系统 过程测控系统通过对被测过程中的一些物理量进行测量，获得相应的精确的测 量值。在工业自动化中，过程测控对工业过程进行检测与分析，根据测量值控制工 业过程。过程控制系统在组成方式上可分为集中和分布式两大类。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 实时测控系统 实时测控的基本思想足将被控对象的状态设定值和数学模型事先输入微机，然 后微机执行应用程序，对被控对象的各种参数进行采集，并与设定值相比较，再根 据偏差按控制规律求调整值，通过执行机构控制被控对象，其最终目的是使偏差接 近于零。实时测控系统按其工作持点又可分为：直接数字控制系统，计算机监督系 统，分布式控制系统。 ( 4 ) 智能测控系统 智能测控系统也称为专业系统。它是测控系统中最先进、最年轻的研究领域， 这类系统研究随着科学技术发展和各方面的需求与日骤增，并且十分迅速地应用于 各个领域。这里所谓的“智能”，是指系统具有部分人的智能，能局部代替人去完 成那些以前依靠人的智能才能完成的任务。智能测控系统不是以精确测量过程参数 为目的，而是以获得某种决策或判断为主要目标。 2 3 2 分布式控制系统 从计算机系统结构的演变来看，多微机系统或多微处理机系统是其必然的发展 趋势。其中的分布式计算机系统与分布式处理则是重要的发展方向。另一方面，从 系统管理与控制的实际需要来看，分布式计算机系统的产生也是必然的。控制与管 理系统的发展，经常要求对地理位置分散的多个对象或多台设备进行控制或管理。 最初使用一台计算机进行集中式控制或管理，但这时信息的传输及对多个分散设备 的控制会造成一定的困难并影响系统的可靠性，特别是当这台计算机出现故障后， 会使整个系统全部瘫痪。这种形式的集中式控制在我国称为“群控”。随着微型计 算机的出现和应用，这类较复杂的控制系统便开始采用多台微机分别对各个对象或 设备进行控