（电路与系统专业论文）汽车轮毂跳动量测量方法的研究.pdf

手茼要 本文是在汽车轮毂跳动仪的基础上，对轮毂跳动量测量系统进行研究。在对几种 方案分析的基础上，选择了光栅传感器作为位移测量元件，比较莫尔条纹信号电子学 细分的方法和分类，分析各种方法的优点和缺点，阐述了光栅尺测位移及光栅信号细 分原理，提出了光栅信号细分的总体 设计方案。 本文的信号处理方案是将光栅输入信号经过放大整形电路，然后进入电阻链五细 分硬件电路，最后进入c p l d 芯片。该设计将电阻链细分和逻辑电路细分相结合，其 中逻辑部分由一片c p l d 芯片来实现，将细分、辨向、计数等功能集于一身，总细分 能力达到2 0 。采用a t m e g a l 6 单片机进行数据的采集、处理、存储、显示及与上位机 的通信。 此系统具有精度较高、实时测试的特点。实验证明：该轮毂跳动量测量系统满足 轮毂跳动量测量系统的技术指标要求，具有实际应用的价值。 关键字：光栅传感器微位移检测c p l d 单片机 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nr e s e a r c ho nm e t h o do fv e h i c l eh u b s f l o pi n s t r u m e n ta n d a n a l y z e so fv e h i c l eh u b sf l o pa m o u n tm e a s u r e m e n ts y s t e m c o m p a r i n gs o m em e t h o d s ，t h e d e s i g nc h o o s e sg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o ra sm e a s u r i n gd e v i c e s t h et h e s i sp u t sf o r w a r d a no v e r a l ld e s i g no f g r a t i n gs i g n a le l e c t r o n i cs u b d i v i s i o n ，w h i c hb a s e do nc o m p a r i n g m e t h o d sa n dc l a s s i f i c a t i o no fm o i r ef r i n g es i g n a le l e c t r o n i c ss u b d i v i s i o n ，a n a l y z i n go ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，u n d e r s t a n d i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e g r a t i n gm e a s u r i n g d i s p l a c e m e n ta n dt h eg r a t i n gs i g n a ls u b d i v i s i o n t h eg r a t i n gi n p u ts i g n a le n t e r si n t oe n l a r g ea n dp l a s t i cc i r c u i t ，t h e ni n t or e s i s t a n c ec h a i n o fh a r d w a r ec i r c u i t ，f i n a l l yi n t oc p l dc h i pw h i c hi st h ed i s p o s i n gp r o c e s so ft h eg r a t i n g s i g n a l t h ed e s i g nc o m b i n e so fr e s i s t o rc h a i na n dl o g i cc i r c u i ts u b d i v i s i o n ，u s e sc p l dt o r e a l i z el o g i cc i r c u i ts u b d i v i s i o nw h i c hf u l f i l l ss u b d i v i s o n ，d i s c e r n i n gd i r e c t i o n ，c o u n t i n ge t c f u n c t i o n si no n ec h i p ，t h es u b d i v i s i o na b i l i t yi s2 0 t h ed e s i g nu s e sa t m e g a l 6s i n g l e c h i pf o r d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m p u t e r t h i ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hp r e c i s i o na n dr e a l t i m e e x p e r i m e n ts h o w ： t h eb e a tw h e e lm e a s u r e m e n ts y s t e mm e e t st o r e q u i r e m e n ta n dh a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：g r a t i n gs e n s o r m i c r o d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tm c uc p l d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，汽车轮毂跳动量测量方法的研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引川的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 储虢篮盟牛年三月4 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 指导导师签 年互月4 日 年三月早日 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论弗一早硒化 随着中国汽车：| = 业的迅猛发展，以及汽车零部件不断走出国门，各个轮毂生产厂 家部对轮毂的轴向及径向跳动指标提出了严格的检测要求，使得轮毂到! 动量检测设备 市场前景广阔。车轮是机车运动中极为重要的部件，轮毂的跳动量是一个非常重要的 性能指标，它影响着汽车运行的平稳性及安全性。汽车轮毂的径向跳动和轴向跳动会 产生不平衡惯量，对车辆前后桥会施加周期性冲击，使车轮产生离心力。此离心力的 方向随车轮的转动而变化，导致车轮上下跳动和左右摇摆，继而通过转向机构传至方 向盘使其抖动，从而对车辆的动、静态特性产生严重的影响，车速越高此现象越明显。 当前，欧美国家对高档轿j ：轮毂的精度要求已达到微米级，并要求计算四次谐波。因 此，轮毂跳动量检测势必采用高精度的技术手段。综上所述，对轮毂跳动量检测具有 现实意义。 1 2 国内外研究现状和水平 1 2 1 国外研究现状 i 垂i 夕1 - 采用高精度的传感器和无损检测技术如光栅及激光传感技术3 7 卜1 3 8 1 ，检测精 度要求己达到微米级，并能计算四次谐波。其轮毂跳动量测量的主流是采用嵌入式处 理核心和上位机相连的数据通信方法。目前国际上的跳动量测量机是日本k o k u s a i 跳动量测量机和德国m a k r a 测量机，德国m a k r a 测量机采用手动轮毂装卡，测量 误差认为是由此原因产生。日本k o k u s a i 跳动量测量机采用自动装卡，成本较高。 1 2 2 国内研究现状 国内在轮毂跳动量检测研究方面起步相对较晚，轮毂测量设备以半自动控制为主， 检测精度一般为几十微米，多用有损检测且不具备数据自动处理能力1 1 。但是通过借 鉴国外的先进技术及传感器的发展，加上自身的努力，拥有了较为成熟的检测技术， 开发出不同形式的检测产品，其中开发比较成熟的是北京m a s s 公司生产的x 系列测 量机。 在微位移精密测量技术领域，光学检测方法的研究倍受重视，其中主要的两种是 光栅计量技术和激光技术，其检测精度可以达到微米甚至纳米量级。它在车轮毂跳动 量检测中的应用，日益受到国内外的广泛关注，引领非接触式自动检测的方向。国外 利用光学测量技术，成功地开发出了用于检测车轮毂跳动量的自动化检测装置。国内 也作了相关研究，而且研制出设备。利用光学测量技术开发精度高、自动化程度高的 轮毂检测装置，必将推动国内轮毂别! 动量自动检测技术的发胜。 1 3 本课题的主要内容及技术指标 本课题是基f 戴 轮毂制造有瞰公司与长春理工大学签订的委托研制项目一一汽 车轮毂跳动测量仪提出的，丰要利川硬件和软件相结合，实现对轮毂跳动量的测量。 课题的研究内容如下： 1 、对现有的检测系统技术方案进行分析，提出最合适的测量技术方案。 2 、基于所选用的技术方案进行轮毂跳动量测量系统的硬件设汁。完成轮毂跳动量的测 量，数据的显示、键盘的操作以及与上位机进行数据的通信等功能。 3 、轮毂跳动量的测量系统各功能软件流程设计。 4 、用本文所设计的轮毂跳动量的测黾系统进行轮毂跳动量的测量实验。 本课题技术指标如下：传感器量程不小于1 5 2 0 m m ，分辨率为0 0 0 1 m m ，误差 0 0 0 5 m m 。本课题完成过程中采用实验研究和理论设计并举的方法。测量实验数据来验 证微位移检测系统的测量精度，在保证传感器和主轴径向跳动精度的前提下，整个系 统径向跳动和轴向跳动测量误差在0 0 4 m m 范围内。实际的设计则针对测控过程提出解 决方案。二者互为依存来解决各自的不足，保证整体功能的实现。 1 4 轮毂跳动量的测量原理 汽车轮毂径向跳动公差带是垂直于基准轴线的任- n 量平面内半径差为公差值， 且圆心在基准轴线上的两个同心圆之间的区域。轴向跳动是指被测实际端面在给定半 径上的各点相对于与基准轴线垂直的任意确定的平面的最大距离与最小距离之差。因 此，可以将4 个高精度的位移传感器布置在被测轮毂相应位置上，并使轮毂回转一周， 各位移传感器采集到的最大差值即为相应的跳动量。 汽车轮毂轴向跳动和径向跳动有效测量部位的空间尺寸非常小，现有汽车轮毂检 测采用滚动测量轮和滑动式传递机构将被测机械量传递给高精度位移传感器的方法来 实现轮毂轴向跳动和径向跳动参数的同时检测。测量采用接触测量方式，消除了由于 滚动测量轮与其回转轴之间存在间隙而带来的检测误差，可实现高精度的检测。 2 f 图1 1轮毂跳动量检测系统测量原理图 为了达到微米级的测量精度，必须保证移传感器测量头的重复定位精度，从而消 除轮毂中心轴线与旋转测量轴不同心造成的误差，以及采样误差。因此，控制系统要 求测量头重复定位精度高，轮毂缓慢旋转，多圈角度错位采样模式。图1 1 为轮毂跳动 量检测系统测量原理图。将滚轮通过伺服机构直接贴近被测面，当轮毂转动时，跳动 量使测头沿x 、y 方向移动，产生微小的位移，该位移量即为被测跳动量。 f 一 第二章轮毂跳动量的检测方案论证及原理 轮毂跳动量的检测装置在外形和整体尺寸上都差不多，在原理上也大同小异。其 主要筹别丰要体现在测量的精度e ，他感器影响整个系统的精度。对于轮毂跳动镑测 量主要有三种方案，本章介绍了三种方案的检测原理并对三种方法进行对比，最后确 定了一种方法并对其检测原理进行了详细阐述。 2 1 轮毂跳动量测量技术方案的论证 2 1 1 采用l v d t 位移传感器测量 l v d t 位移传感器可将被测部件几何尺寸的微小变化转换为电感l 的变化。轴向式 电感传感器的基本结构如图2 1 所示2 1 ，电感线圈呈管状，连接测杆的磁芯置于线圈的 中部。当测杆接触被测部件时，部件位置的变化使磁芯在线圈内发生微小位移，此位 移引起线圈电感量的变化。 霸墙 翻杆电够钱井套信号茂 图2 1 轴向式电感传感器 当测杆接触被测部件时，部件位置的变化使磁芯在线圈内发生微小位移，此位移 引起线圈电感量的变化。电感量变化的表达式为： 址等( p r - 1 ) y ：a t - - 巧聒l o a t 甄 汜1 ) | o r 弘r l 式中：h ，r ，r ，u 0 均为与线圈和磁芯几何、物理参数有关的常数；t 。为磁芯在线圈内 初始伸入深度：l 0 为初始电感量。由式( 2 1 ) 可见，线圈电感量的变化l 正比于测杆 位移量的变化量a t ，也就正比于被测部件位置的变化量。 为了对传感器给出的电感信号进行放大、处理和显示，需将电感量的变化l 转 换为电压信号。该测量采用交流测量电桥完成这一任务，其原理如图2 2 所示。差动变 压器的内部由初级线圈n 和两个次级线圈n 1 ，n 2 组成，但铁芯是可以随侧端移动。 初级线圈接入交流电源后，当铁j 处_ r 中间位置时，由于两个次级线圈产生的感应电 动势e 1 和e 2 相等，故输出电压u s c - - 0 ；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时， 4 两个次级线圈产生的感应电动势e 1 和e 2 不相等，此时u s c 输出一定大小的电压，其 相位和大小取决于铁：卷移动方向和位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善线 性度，设计时将两个次级线圈反串相接，两个次级线圈电压极性相反。差动变压器输 出的是两个次级线圈电压之差，而这个输出的电压值与位移量呈线性关系。如图2 3 所示。 1 。邦 一 u 、 0 仁= 口马仁艺口田f = 口碉 i 园园园ii 因园园ll 园园园i e jil 亡 il 亡= j j 囚园园il 园园园il 园因园i e z z 口划e z = a 刊e ：c 口血 图2 2 差动变压器结构原理图图2 3 输入输出关系图 l v d t 位移传感器一般测量范围在1 - 2 0 m m ，线性度为满量程的o 5 一0 0 5 ，分辨 率可达o 1l am ，测量结构如图所示。l v d t 位移传感器经处理电路可产生电压输出。位 移s 与电压成比例，将信号放大并接入单片机的如，即可得到跳动量。 2 1 2 采用光栅传感器测量 光栅位移传感器的基本工作原理是利用一对光栅，其中一块是固定的，而另一块 是运动的。当它们发生相对运动并有光通过两者时，能够获得相当于干涉仪中得到的 条纹信号，即所谓的“莫尔条纹信号。将两块黑白型长光栅尺刻线面对面迭合，并 使两块光栅尺的栅线形成很小的夹角口，这时，在近于与栅线垂直的方向上就出现明 暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。两条亮条纹( 或两条暗条纹) 之间的距离w 为莫尔条纹间距，如图2 4 所示“1 。 b 图2 4 莫尔条纹示意图 5 若不考虑光栅的衍射作用，且假设两光栅接触迭合，又设它们栅距相等，缝宽和 线宽相等，则根据简单的遮光原理，光通过两块光栅后的能量分布为一个三角波。在 光栅式测昔中，利用莫尔条纹实现厂对输入位移量的转换，在两光栅栅线夹角较小的 情况下，当光栅每移动一个光栅栅距w 时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度b ，如 果光栅反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距b 与两光栅栅线纹夹角0 之 间的关系为： b ：。一w ( 2 2 ) 2 s i n 竺口 2 式中，b 为相邻两根莫尔条纹之间的间距；w 为光栅栅距；0 为两光栅线纹夹角。 条纹宽度不受波长影响，并且条纹较宽可进行内插，由于误差平均效应，因而可以获 得很高的精度。光栅传感器的输出极易数字化，无需d 转换，节省d 转换时间 及器件响应时间。因此，特别适合静态和动态情况下的实时测量和位移测量。 2 1 3 采用光三角传感器测量 光三角传感器是基于光束入射被测体后产生反射，入射光与反射光构成了光三角 形，根据反射光束的位置便可以确定被测体的端面位置。能够检测反射光束位置的光 电敏感器件有c c d 、p s d 等光位置传感器。光三角测量原理如图2 5 所示。激光器l d 发射的激光束经透镜聚焦后射至被测物体表面，被测物体反射光束由透镜成像于p s d 光敏面q 点。设q 点光斑距p s d 的a 电极距离为x ，则根据光三角原理，可以推导出 被测物体距光源的距离为： s ：d 上( 2 3 ) x 式中：d 为基准距离；厂为透镜的焦距。 由式( 2 3 ) 可知，只要能准确的检测出光斑位置x 的大小，便能计算出被测物体 的距离s 值。光三角测量采用半导体激光器做光源，p s d 等光位置传感器，测量仪器 体积较小；激光方向性好，光功率高，使测量仪器分辨率高、稳定性好，测量精度高； 输出信号易于计算机连接，形成智能测试系统8 1 。 6 2 1 4 三种测量方案的比较 图2 5 光三角测量原理 工 b p s d l v d t 位移传感器是一种互感式传感器。具有分辨力高、稳定性好、精度高、温度 影n 向j , 等优良特性，但与其他类型的位移传感器相比，它的各项指标不是最佳的。原 因在于差动变压器输出信号中的零点残余电压影响传感器的精度、线性度和分辨力。 光栅传感器精度高、响应速度快、整机体积小、重量轻、运用灵活，在对环境温 度无特别要求，输出为数字量，处理方便，技术成熟，在微位移检测中得到了广泛的 使用。 光三角式传感器是属于非接触式传感器， 灵活，同时它本身结构简单，性能稳定可靠， 较大。 它不受被检测体空间结构的限制，使用 抗电磁干扰能力强。但受异光的影响比 根据三种传感器的特点分别列出其优缺点，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 三种传感器的优缺点 7 轮毂跳动量的测量实质上就是测黾轮胎旋转时的径向跳动和轴向跳动的微位移， 鉴丁以上三种方案比较，考虑到测帚的实质、测帚的精度、稳定度及成本，我们选择 了第二种方案，利用光栅传感器来测量轮毂的跳动量。光栅测量系统具有以下突出的 特点： 高精度：由于光栅刻制技术及电子细分技术的发展及莫尔条纹的误差平均作用， 使光栅检测系统在量程测位移方面成为精度仅次于激光测量的一种高精度测量系统。 量程大、分辨率高。 可实现动静态测量、自动测量和数字显示功能。 抗干扰能力强：对环境的要求低于激光干涉测量方法，在环境较为恶劣的工业 现场其稳定性优于电感式传感器。 具有较高的测量速度。 因此，光栅计量技术目前广泛应用于精密测量和精密定位控制等领域。据有关资 料表明，国外在各种位置检测中计量光栅应用最多，约占全部产品的8 0 以上。具体 的测量方法将在以下章节中做出具体阐述。 2 2 光栅检测系统的基本原理 2 2 1 莫尔条纹的形成及特点 2 2 1 1 莫尔条纹的形成 莫尔是法语，意思是在水面产生的波纹，两块光栅迭合时，也产生类似的波纹花 样，故由此得名。图2 6 所示即为一黑白型圆光栅的一部分。光栅上平行等距的刻线为 栅线，其中透光的缝宽为a ，不透光的缝宽为b ，一般情况下，透光的缝宽= 不透光的 缝宽，即对于圆光栅盘而言，更多使用栅距角的概念，即圆光栅盘上相邻两刻线所夹 的角1 9 1 。 图2 6 黑白光栅示意图 将两块黑白型长光栅尺刻线面对面迭合，并使两块光栅尺的栅线形成很小的夹角 0 ，这时，在近于与栅线垂直的方向上就出现明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条 8 纹。两条亮条纹( 或两条暗条纹) 之间的足卜离为莫尔条纹间距，如图2 7 所示。 ：i f j 图2 7 莫尔条纹示意图 若不考虑光栅的衍射作用，且假设两光栅接触迭合，又设它们栅距相等，缝宽和 线宽相等，则根据简单的遮光原理，光通过两块光栅后的能量分布为一个三角波。但 实际中，由于光栅的衍射作用，两光栅间的间隙，及光栅线宽和缝宽不完全相等等原 因，故实际的光能量分布将是一个近似的正弦波。在光栅式测量中，利用莫尔条纹实 现了对输入位移量的转换，莫尔条纹转换的特点： 位移大小和方向的对应关系：一方面，莫尔条纹的移动量与光栅之间有严格的 对应关系，另一方面，在两光栅的栅线交角0 一定的条件下莫尔条纹移动方向与光栅 移动方向也有严格的对应关系。 位移放大作用：在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度w 和光栅栅距 d ，栅线夹角0 之间有下列近似关系： 。一dw( 2 4 )一一l2 j 臼 兰。一1( 2 5 )一_ 一 i j d0 当0 很小时，w 与d 之比很大。所以莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用。 误差平均效应：莫尔条纹是由两块光栅的大量栅线共同形成的累积效果，此对 栅线的某些误差有平均作用，能在很大程度上减小这些误差的影响。 2 2 1 2 电子学细分的莫尔条纹原始信号 了满足电子学细分的要求，我们通常需要两相差9 0 。的莫尔条纹信号。一般的光 栅光学系统都具有输出多相信号的功能，在高精度、高分辨力绝对式光电轴角编码器 中采用对指示裂相刻划的方法，也可以达到输出多相信号的目的。 所谓裂相刻划，就是将指示光栅上的刻线区分成四个区域刻划，相邻两个栅线区 11 域之间依次相隔d 或( n + 二) d 的不同间距，其中d 为栅距，n 为整数。 44 这样，当主光栅与指示光栅迭合时，指示光栅的四个区域将分别与主光栅形成四 9 组莫尔条纹，每组莫尔条纹分别由各自的光电元件接收。这样，输出的四路信号将依 次相著9 0 。，这四路信号可表示为： “，= 比。+ u 。ts i n 七臼 七- - 1 “z 2 秘：。+ 荟1 u 2 ks i n k ( 移+ 石2 ) “，2 “，。+ 荟u 3 ks i n k ( 口+ 万) “。2 “a 。+ 荟u 4 ks i n k ( o + 3 x 2 ) 2 6 其中：“，o 、“2 0 、h 3 0 、h 4 0 分别为四路信号中的直流电平。u u ：；、u 雏、v 。 分别为四路信号各次谐波的振幅。 若四路信号拾取条件相同，四只光敏元件性能参数一致，并忽略原始信号中各次 谐波的影响，用相对值表示振幅，则式可写成： g l = s i n 0 “= c o s 0 u 3 = - s i n o u 4 = 一c o s 0 ( 2 7 ) 这是一组理想的四相交流信号，细分电路的设计和参数计算都是以此为依据的。 由于实际信号中的直流电平及漂移不仅使信号对比度发生变化，而且对电子细分的精 度影响很大，因此总希望消除信号中的直流成分。所以，在我们的实际应用中，一般 采取差分的方法来消除原始莫尔条纹信号中所含的直流电平和偶次谐波。这时对差分 放大器的对称性能要求比较高。差分放大器的两个输入信号的相位差为1 8 0 。，即u 和 h ：、h ，和“。经差分放大器输出后的信号中的直流电平和偶次谐波均减小了，同时又 使奇次幅值增加了近一倍。在理想情况下，可以把两个差分放大器的输出认为是理想 的正余弦信号如式( 2 8 ) 所示。 u ，。= u 。ls i n o u ，曲= u 。2c o s 8 ( 2 8 ) 这两个信号即为相位差为9 0 。的两相莫尔条纹信号，在某些电子学细分装置中， 1 0 它们也可作为绝对式编码器的电子学细分电路的初始信号。 2 2 2 光栅尺测位移原理 光栅传感器是利用莫尔条纹信号的以上特点实现位移测量的。测量位移量需要两 块光栅。一块光栅与运动件连在一起，并与运动件一块运动，其长短应大于最大的测 量距离，称为标尺光栅。另一块光栅固定不动，是很小的一块，称为指示光栅。这两 块光栅通过其它一些零件，构成测量位移的读数头。一个简单的光栅读数头，由灯、 聚光镜、指示光栅i 标尺光栅和硅光电池组成。灯丝位于聚光镜焦点上，灯光通过聚 光镜后成平行光照明光栅，并通过光栅投射到光电元件上，光信号即转变成电信号。 两块光栅刻线面相对，并有- 4 , 间隙。图2 8 光栅传感器的组成图。在实际位移量的测 量测量系统中，其中一个光栅固定不动，另一个随被测量一起运动，随被测量一起运 动移动过一个栅距角，莫尔条纹移过一个间距，光电元件发出一个信号。由此，便实 现了对输入位移量的转换。通过光电接收元件及信号处理电路，就可以计算出光栅与 狭缝间的相对位移量，实现了对位移量的测量“0 1 。 图2 8 光栅传感器的组成 1 指示光栅2 准直透镜3 光源 4 标尺光栅5 聚光透镜6 光电元件 光电元件接收到明暗变化的光信号以后，转换成变化的电压信号。图2 9 是光电元 件的输出波形，其中v 平均为平均输出电压， 流分量。常用的光电转换元件有硅光电池、 和光电倍增管等。 即直流分量或直流电平，v 幅为峰值，即交 光电二极管、光电三极管、硫化镉光电管 y 光 电 池 电 压 图2 9 光栅信号输h 波形 莫尔条纹的移动方向与光栅运动的方向见表2 2 。 x 表2 - 2 莫尔条纹的移动方向与光栅的运动方向 由于光栅有衍射作用，而且为避免两光栅尺在作相对运动时的碰撞，两光栅尺之 间必须有适当的间隙，在一个莫尔条纹周期内，实际的光能量分布为一个近似的正弦 波。因此，光电元件接受到光信号后转换成的毫伏级电信号，也呈现为近似的正弦波 信号。同时由于光栅副是一个谐波发生器，因而两路相位差9 0 。的信号可以分别表示 为： u 1 = u x o + s u t ks i n k o ( 2 9 ) u 2 = u 2 0 + s u e ks i nk 徊+ p 2 j ( 2 1 0 ) 式中：u 1 0 、醍。分别为四路信号中的直流电平；u 1 七、娩女分别为四路信号各次 谐波的振幅。输出电压反映了瞬时位移的大小。由于光电转换出来的原始信号的振幅 在几十毫伏左右，必须通过运算放大器的放大才能进行进一步处理。在后面的章节中 进行具体的设计。 本课题采用的光栅尺栅距为2 0l am ，经过光栅信号细分处理技术，完全满足项目 要求。 1 2 2 2 3 光栅信号细分原理及典型电路 2 2 3 1 光栅信号细分原理 在高精确度的检测过程中，通常需要将被测量精确到1 微米，甚罕0 1 微米。因此 使用普通的光栅很难达到这样的精度，要达到上述要求，光栅的栅线密度必须达到每 毫米千条线甚至万条线，就目前的工艺水平而言，每毫米千条线尚可达到，而每毫米 刻上万条线则很难实现，同时也没有必要。另外，刻线密度太大的光栅是不适宜做标 准器件的。因此，为了提高光栅的精确度和减少光栅的刻线密度，必须对光栅信号进 行细分，在选取合适的光栅栅距的基础上，对栅距进行一定的细分，读取栅距的分数 值，即可得到所需要的最小读数值，提高“分辨 能力。 我们常用的光栅细分方法有三种，第一种是机械细分法，就是通过增加光栅刻线 密度来细分，这种方法由于受到工艺的限制，一般来说是不适用的；第二种是电子细 分法，它采用电子技术对交变电信号进行内插、补插的方法提高了计数脉冲的频率， 故电子细分又称为倍频，电子细分法读数迅速，可以达到动态测量的要求，它不仅可 以实现点位控制，而且可以实现连续轨迹控制，使观察者从主观的影响中摆脱出来， 输出量又能和数据处理机( 如微处理机、计算机等) 联动，便于实现自动化等。故此 方法是最通用的，本系统也采用该细分法。第三种方法是机械一一光学的方法，采用 此方法细分时，位移的分数值通过微动的指示光栅达到预定的基准相位的位置，即所 谓的“归零而测得”，又称为零位法，其缺点是每次读数后必须要归零，但电子系统简 单，细分能力强，精度也较高。 电子细分主要分为幅度细分和位相细分两种。幅度细分就是利用莫尔条纹幅度变 化与光栅系统的相对位移存在一定关系的特性而进行的。如电阻链细分就属于此法。 目前在国内外，用此种细分方法进行细分时一般不超过1 0 0 等分。这是由于受许多条 件限制的原因，如对原始莫尔条纹信号质量和对采用电路元件要求过于苛刻等。位相 细分是利用莫尔条纹信号位相变化与光栅系统的位移变化存在着的线性关系。位相细 分的实现有许多种方案，如锁相倍频和载波调制。载波调制细分的份数可以达到近 1 0 0 0 ；采用正弦余弦电位器方式也可将静态莫尔条纹信号细分成1 0 0 0 倍左右。细分电 路按工作原理，又可分为直传式细分和平衡式补偿式细分。其具体的分类“盯见表2 3 所示。 表2 3 细分的方法 直传式细分 平衡式细分 电阻链分相细分 相位跟踪细分 1 、与 ，硬件细 1 分相结 f合的细 微 1 分技术 型i 计 2 、量 算j 化细分 机 技术 细 分l 3 、只 i 读存储 l 器细分 i i4 、时 钟脉冲 细分技 术 幅值跟踪技术 脉冲调宽型幅 值跟踪绌分 频率跟踪细分 在传统的光栅位置测量装置中，莫尔条纹由光电元件读取后，经过放大、细分、 辨向、计数等环节，最终得到数字化的位置信号 2 4 j 。其装置框图如图2 1 0 所示。 计量光电接前置放 显示 光源 插补器计数器 光栅 收器 大器 装置 图2 1 0 光栅数显测量装置框图 其中，光源，光栅，光电接收器，前置放大器常常装成一体，构成一个组件，称 为光栅传感器或光栅读数头。电气部分装在一只箱柜内，称为数字显示装置或数显箱。 由图2 5 框图可知，光栅测量装置用作线位移或角位移测量时，由读数头输出的莫尔电 信号直接送到数显箱，用数码管显示测量结果，这样，既提高了工效和测量精度，又 降低厂劳动强度，特别适用于自动测量。 2 2 3 2 典型的电子细分电路 1 、计算法细分 1 4 随着计算机及软件技术的发展，现在最常片j 的是软件细分。软件细分是把光电信 号，经过。佃转换，变成数字信号，送入微机p 览微控制器中，依靠编制程序、计算、 查表、查值的方法来实现。随着电子技术的发展，微控制器( 单片机) 越来越广泛的 应用于传感和测量的各个领域。微控制器的应用，使莫尔条纹细分的可靠性和细分精 度提高，成本降低。同时，由于微控制器具有集成度高，互换性好，稳定，易于调整 细分份数等优点，单片机细分技术，己受到了广泛的应用与关注。 直接细分法，也叫做计算法细分，是一种典型的采用微控制器细分的方法。计 算法细分的实质就是幅度调制细分。由于细分值是靠计算机计算求得的，所以把这种 细分方法称为计算法。显然，在幅度调制中，如果信号的振幅恒定，就可以通过d 变换用微型计算机确定位移。但实际信号的振幅是随电源波动、光强、转速、温度等 因素的影响而变化的，因而无法准确得到位移信息。经过分析发现，莫尔条纹的正弦 量和余弦量的比值，即as i n 0 a c o s l 3 = t g o ( 中a 表示振幅，0 表示相角) ，基本上消 除了振幅波动的影响，同时又隐含了确定的位移量。由于单片机运算能力很强，因而 可以通过计算a s i n 0 a c o s 0 = t g o 的值求出相角，从而确定位移。如果，令n 代表细 分的总份数，t n 代表某一相角0 所对应的细分值，则： 乙= ( n 1 2 x ) a r c t 9 0 s i n 0 a c o s 0 ) ( 2 1 1 ) 其中：0 0s2 a 对式( 2 1 1 ) 的计算分为以下两步： 第一步：l 表达式中a r c t g ( a s i n 0 a c o s o ) 在o 2 x 相角范围内是一个多值函数， 计算机不能直接计算。由于细分值是针对一个莫尔条纹信号周期而言，所以需要把l 处 理成单值函数，从图2 1 1 所示a s i n 0 和a c o s 0 的波形图，可以得出a s i n 0 和a c o s 0 的 正负号与各象限的对应关系，如表2 4 所示： a 图2 1 1 正余弦信号波形与各象限对应关系 表2 4as i n p 和彳c o s 0 的d ：负号与各象限的对应关系 a s i n p a c o s 臼 + + 单片机根据as i n 0 和a c o s l 9 的正负就厶匕l d e , 7 蝈 u o 断出相角臼所在象限，并确定象限细分常 数。确定象限细分常数之后，根据坐标变换原理，单片机把二、三、四象限都按第一 象限的方法处理。图2 1 1 给出了ia s i n oi 和ia c o s 0i 的图形。若用瓦。代表第f 象限细分 值，c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 分别代表一、二、三、四象限细分常数，则有下列表达式： 。l f = ( n 2 z r ) 木a r c t g ( a s i n 0 a c o s 9 。) ( 2 1 2 ) 日。；口一( 七一1 ) 术刀2 ( 2 1 3 ) 其中：k = l 、2 、3 、4 c t = 瓦f = l f + c t 0 = 1 ) 4 = 2 ) 2( k = 3 ) 3 n 4 = 4 ) 根据式( 2 1 2 ) 按象限计算细分值l ，l 就变成单值函数。 t 9 9 图2 1 2 正切函数图 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二步：由式( 2 1 2 ) 计算l 较( 2 1 1 ) 更为明确些，但从s i n 臼ac o s o ) 随p + 变 化的曲线，如图2 1 2 所示，可知当p 在石2 附近时，( as i n0 ac o s o ) 变化很大，尤 其是当日一万2 时，0 s i n 0 a c o s 0 ) 呻0 0 ，此时，计算机就要产生溢出，不能运算。 第二种情况：as i n 0 a c o s 0 ，即0s 臼 ac o s 0 ，即石4s 0 a 2 时，先计算0c o s 0 a s i no ) ， 然后由公式a r c t g 口c o s o a s i n o ) + a r c c t g c o s o 。a s i n o ) = 丌2 可推导出： 故t f = 0 v z 7 r ) 宰0 = 4 一劢掌a r c t g ( 4c o s 0 。a s i n0 ) 及t = l f + c t f 2 ：r 木a r c t g ( as i n0 0 ac o s 8 ) ( 0sp r 芑 x 一1 2 8 、 2 r c t g 焉( d 1 2 8 , y 1 2 8 ) 2 、 i 3 p僻；1 2 8 , y 1 2 8 ) 2 、 g 告凳 皤 咩卜：一， 5 粤- = e 擞： 血世b9 d 1 mi s 妯e 旺七3o e 2 瞰m 。一 山世口嘣m q 啦缸二口。唧& d l 艘：? ! ：章晦产j 一一 ! 蔓。一一e ) 硒 _ s 伸 图3 1 1 细分和计数锁存的顶层设计原理图 这里我仅对一路光栅信号进行仿真，仿真波形如图3 1 2 所示。 图3 1 2 细分和计数锁存的仿真波形图 同时，为了精确测量输入与输出波形间的延时量，可以打开时序分析器，方法是 选择主菜单中的t i m e jr i g a n a l y z e r 3 ；员，单击弹 h 的分析器窗口中的s t a r t 按钮，延时信息 显示如图3 1 3 所示。 唧 c m d e l a ym a t r i x d e n 椭 j ， 硼 i ) d i d d 2d i x i嘲 嘟 嘶唧 瑚i ) i ) 9 8 7 r a87 m8 7 n s8 7 n si g s n s i g 1 6 帆 i g 钿s五嘶2 5 8 7 r a8 7 n s 8 7 r a8 7 n b1 6 8 m1 6 8 n s 1 1 g 2 50 n s 2 5 图3 1 3 延时信息图 其中，左排的列表是两个输入信号，上排列出输出信号，中间是对应的延时量， 由以上数据可知延时揎为纳秒级，对系统的准确性没有影响。所以，此程序符合设计 要求。 3 4 5 与单片机端口连接部分的设计 因为信号的输出是1 6 位，而选用的单片机是8 位单片机，所以这里还需要设计一 个模块，先输出低8 位，再输出高8 位。生成模块如图3 1 4 所示。 图3 1 4 八路选择模块 整体模块顶层文件如图3 1 5 所示。 4 1 c 1 0 - 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