毕业论文开题报告光栅位移测量仪设计

中原工学院毕业设计（论文）开题报告 1 毕业设计(论文) 开题报告 题目名称：光栅位移测量仪设计光栅位移测量仪设计 院系名称： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 2011年 2 月 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 2 目录 一、课题设计计的任务和研究目的及意义 二、国内外该方向研究现状及分析 三、系统方案论证 四、系统电路设计思路 五、软件设计思路 六、计划进度安排 七、研究过程中可能遇到的问题和困难及解 决措施 八、参考文献 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 3 一、课题设计的任务和研究目的及意义一、课题设计的任务和研究目的及意义 A、 课题设计任务 1、完成传感器的设计。 2、完成调理电路的设计。 3、完成单片机及外围电路设计 4、完成细分、辨向、计数等程序设计 5、完成数据采集、处理显示等程序设计 6、 完成数据的结果的分析。 7、 系统调试，获得实验数据，从实验数据来分析系统的性能指标，总 结调试经验。 B、课题设计的目的及意义 当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过 程中是不可或缺的关键环节， 它与生产加工和制品运送同等重要。 当今世界， 提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革 新的浪潮。在这种注重经营和技术创新的前提下，对测量仪器行业也提出了 更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与 IT 产业的发展相对应，同时应进一步加强质量管理测量技术是现代工业中的一 个重要组成部分，它是进行生产活动的依据，它支撑着社会的技术进步，为 众多领域的科学探索活动提供试验和观测手段，为人类有序的生产活动提供 必需的技术保障。测量技术已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保 障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心技术。作为精 密机械与精密仪器的关键技术之一的微位移技术，近年来随着微电子术、宇 航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。而定位与测量技术的水平几 乎左右着位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发 展。 本次毕业设计提出以光栅莫尔条纹为基础，设计光栅位移测量仪。通 过对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。对莫尔条 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 4 纹进行细分，拟采用 EMP7128 光栅位移传感器，设计此种测量仪。 目前，光栅位移测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展， 对光栅位移测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，光栅位移测量 技术不但要达到更高的分辨率，还要适应更复杂的工作环境。在长度量检测 系统中，光栅测量系统占有明显优势，有着广泛的市场前景。栅式测量系统 是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单 位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。光栅长度测 量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从 60mmin 至 480mmin。测量长度从 1m、3m 至 30m 和 100m。1999 年 10 月在中国 召开的“面向21世纪计量测试理论与仪器”研讨会认为:纳米级测量已经成 为当今测量领域的热点，在新的世纪要继续解决好纳米尺度的产生、标定及 传递的理论和技术，制造出更新型的纳米精度的计量测试仪器 在如此背景下，精密工作台光栅定位测量与控制系统设计也就这样应 运而生，该研究能很好的满足超精密加工和超精密检测的要求，对现代工业 技术的发展具有重要意义。 二、二、国内外该方向研究现状及分析国内外该方向研究现状及分析 我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、 用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家 相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B同时二者的光栅纹线之间有一个小夹角， 当光线 透过光栅时，指示光栅上就会产生莫尔条纹。当指示光栅相对于标尺光栅作水平 移动时，莫尔条纹作垂直移动。莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅 线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对应关系。 利用光电传感器得到与明暗条 纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。由于脉冲 数是 表示指示光栅所移动的条纹数，故只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动 的实际距离。即： W=w/(2*sin（a）/2)=w/a=kw。 ( 其中w为栅距即每毫米内光栅的条纹数， W为莫尔条纹宽度 k为光栅放大 倍数) 从上式可得，光栅移动了 x 条刻线，则莫尔条纹也移动了 x 条条纹，将 莫尔条纹产生的电脉冲信号计数,即可知道光栅移动的实际距离。 四、系统电路设计思路四、系统电路设计思路 在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着 感受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧 重收元件后变为。这里采用较高的系统定位精度(0.1um)、故选择光栅位移检测 系统。光栅经接周期性变化的电信号，采用逻辑辨向电路区别位移的正反向。本 测量设计利用单片进行数据处理并显示结果，软件采用汇编语言实现。硬件电路 主要由光栅位移传感器。差分放大电路。细分与辨向电路、单片机 8051、A/D 转换和 LED 显示组成。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 7 本系统中使用的光栅传感器输出的是 4 路相位差为 90的正弦信号， 因此需 要对传感器的输出信号进行整形处理。本设计中采用了由运放 LM393 构成的差 分放大器， 将光栅传感器输出的 4 路信号分别送入 2 个差分放大器的输入端， 从 差分放大器输出的 2 路信号其相位差为 90，整个系统框图如图 2 所示。 将差分后的信号进行整形得到 2 路方波信号， 得到的方波信号不能直接 送入计数器中，在本设计中由 EPM 7128SIC84-15 完成 4 细分、辨向、计数的功 能，采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统 光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，由光栅传感器产生两组信号 分别经过差动放大与整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制 系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两条光栅以微小倾角重叠时，在与光 栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹， 在条纹移动的方向上放置光电探测 器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位 移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同 的光电信号，由四个光电器件获得四路光电信号分别送到两只差分放大器传入 端， 从差分放大器传输的路信号其相位差为，经过整形器后整形为占 空比为比的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号 相位差都是，将两个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。在对信号 进行辨向后，变形后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计 数器，实现位移的测量。 整体框图设计思路如下 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 8 五、软件设计思路五、软件设计思路 系统软件设计主要包括主程序、中断服务子程序等。 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 9 六、计划进度安排六、计划进度安排 第一学期8、9 周查资料 10、11 周方案论证 12、13 周外文翻译 14、15 周总体方案设计 第二学期1、3 周完成电源变换主回路的设计。 4、5 周完成核心控制电路的设计。 6、7 周完成控制电路程序的设计。 8、10 周完成启动电路设计。 1113 周系统调试，获得实验数据，从实验数据来分析系统 的性能指标，总结调试经验。 1415 周撰写毕业论文、答辩。 七、研究过程中可能遇到的问题和困难及解决措施七、研究过程中可能遇到的问题和困难及解决措施 在这次毕业设计中，由于在细分辨向等电路方面的知识贫乏，对于细分辩向 电路的选择和设计会遇到很多问题，对于那些可以实现高精度的细分电路，对于 我是比较难理解的，因此在细分电路的选择，会比较麻烦。两另外由于光栅传感 器输出的信号就算经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时， 仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性，降低整个测试系统的精度。消除 噪声信号的电路设计也不是很容易完成的。遇到问题，我会多查资料，多向老师 学请教，解决遇到的问题 八、参考文献八、参考文献 1艾言.精密测量技术在机床行业中的应用J.机电信息，2003 2古天祥.王厚军.习友宝等.电子测量原理M.北京：机械工业出版社，2006， 3杨国光.近代光学测试技术M.杭州：浙江大学出版社，1996 4唯一. 现代光栅测量技术J. 工具展望，2004 5李岩.精密光栅纳米级承载工作台的设计与研究D.长春： 长春理工大学机械 电子工程系，2009 6冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术M.北京：清华大学出版社，2007 7 康光华等. 数字电子技术基础M 华中科技出版社 2002 8张国雄.测控电路M.机械工业出版社，2002 中原工学院毕业设计（论文）开题报告 10 9朱定华.戴汝平.单片机原理与应用M.北京： 清华大学出版社&北方交通大学 出版社，2003 10于海生.丁军航.潘松峰等.微型计算机控制技术M.北京： 清华大学出版社， 2009 11康光华.模拟电子技术基础M.高等教育出版社，2006 12殷纯永.光电精密仪器设计M.北京:机械工业出版社，1996 13曾光宇.张志伟.张存林.光电检测技术M.北京： 清华大学出版社&北方交通大 学出版社，2005 14 卢国纲 位移测量技术及其传感器的最新发展J.中国科学院自动化研究 所 WMEM 4期2005年8月 15 李庆祥， 徐端颐实用光电技术M 第一版 北京： 中国计量出版社， 1996 16