毕设资料粗光栅测量系统的精度与跟踪速度分析.doc

工业化的发展，从机械化发展到自动化，现在已经向智能化、柔性化、信息化及安全生产等方面发展，而旋转编码器，正是这种发展所需要的表现突出的传感器。从旋转编码器的应用看，其既可作为角度传感器，又可间接作为长度传感器，或速度传感器。定位控制，最早是从行程开关开始，而后在接近开关、光电开关中的应用已是相当成熟，且方便易用，为工业从机械化向自动化发展作出了很大的贡献。可是，随着工业控制的不断发展，又有了新的要求，定位控制要智能化、柔性化、信息化并更加具有安全性，这样，绝对值旋转编码器的应用优点便凸显出来：旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合，尤其是绝对值编码器将被更广泛地应用，其发展前景一片光明。旋转编码器未来的技术发展上，在速度传感器使用方面仍然是增量值编码器的应用，伺服电机应用要求编码器有更高的分辨率与精度；变频电机应用要求编码器抗干扰更好，信号传递更远；电梯同步拽引机应用需要正余弦信号的编码器信号曲线精度更高，便于获得细分后的精度。在角度使用方面，例如工业机器人、转台、测试设备及机床等，更倾向于使用绝对值、高精度的编码器，或者编码器成本及使用成本更低的绝对值编码器，可以替换抗干扰性差、停电移动有误差积累的增量值编码器。在长度使用方面，绝对值真多圈编码器将有更大的发展，从数据可靠性、高效稳定及安全性来讲，将逐渐替换增量编码器，成为定位控制的主流，在新增的风力发电、工程机械、港口机械、起重运输、钢铁冶金、水利水电、医疗设备与各种综合性设备等定位控制中，将逐步需要使用旋转编码器，而且首选的将更多的是绝对值编码器。其次，编码器的性能可靠性将越来越重要，由于工业使用领域的扩大，电气条件与使用环境越来越复杂，对于编码器的使用可靠性要求增高，标准工业级的编码器将替代如今大量使用的经济级编码器，可靠又经济的工业等级编码器品种，会受到用户的欢迎。而对于绝对值编码器，另一个使用门槛是使用便利性，输出信号开放且通用性强，便于客户使用而将受到用户欢迎，发展空间广阔。目前，以莫尔条纹技术为基础的光栅线性位移传感器发展十分迅速，光栅长度测量系统的分辨率达到纳米级，测量精度已达0.1um，已成为位移测量领域各工业化国家竞争的关键技术。它的应用非常广泛，几乎渗透到社会科学中的各个领域，如机床行业、计量测试部门、航空航天航海、科研教育以及国防等各个行业部门。 本文首先详细阐述了莫尔条纹的形成机理，当计量光栅为粗光栅时，莫尔条纹形成机理用遮光阴影原理解释，当计量光栅为细光栅时，则用衍射干涉原理解释。然后系统介绍了基于莫尔条纹技术的光电测量仪器的设计原理，它由光栅读数头和对莫尔条纹信号进行处理的电子学部分组成，光栅读数头包括光栅副，光电接收元件，由光源和准直镜组成的照明系统，以及必要的光阑、接收狭缝、调整机构等。最后提出了基于光栅莫尔条纹干涉计量技术的一种新的应用，即把光栅线性位移传感器应用在数字读数显微镜上，数字读数显微镜包括光学系统、控制与显示系统、CCD摄像机与显示器四部分，其中，控制与显示系统是设计的核心模块，是基于FPGA技术实现的，它包括倍频鉴相模块、可逆计数模块、显示控制和显示接口模块。 经过大量的理论研究和实践测试工作，我们已经把光栅莫尔条纹技术成功地应用在数字读数显微镜上，实现了对被测物体线性位移的精密测量，测量分辨率达到0.5um，测量精度达到1um。设计中用CCD摄像头代替目镜可以避免传统的肉眼观察的不便。基于单片机和光栅传感器的位移测量系统简介：光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用1，2。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号 .关键字：光栅传感器，位移光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用1，2。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量3。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。软件采用汇编语言实现。 1硬件电路本设计的硬件电路主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。11光栅位移传感器光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。12信号变换电路信号变换就是将由光敏元件输出的正弦电信号转换成方波信号。本文中采用的比较器LM339，来自光栅的莫尔条纹照到光敏元件硅光电池上，他们所输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，而在这2个比较器的负输入端分别预制一定的参考电压，该参考电压应使光栅输出的方波的高、低电平宽度一样。13细分与辨向电路131细分电路为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，传感器中采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使他正好与4个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90的4路信号，即进行4倍细分。如图2所示。132辨向电路位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。因此，本设计采用的是4个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的4路信号在相位上依次相差90，利用这种特点设计的辨向电路的如图3所示。图中u1，u2和u3，u4分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。当莫尔条纹上移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中A点有计数脉冲，B点为恒定电平；当莫尔条纹下移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中B点有计数脉冲，A点为恒定电平。用2个不同计数器分别记录上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。14LED显示本文采用动态4位显示。第1位为符号为，莫尔条纹上移为正，下移为负；第2，3位为整数位；第4位为小数位。将所有的段选线并联在一起，由单片机的P1口控制，而共阴极公共端分别由P30，P31，P32，P33控制，实现各位分时选通。2软件部分软件部分主要有采集子程序、数据处理和显示子程序组成4。 采集子程序完成对计数值的读入和转化；数据处理子程序完成对采集数据的线形化处理；显示子程序对结果进行循环显示。程序的流程如图4所示。3结语本文中，设计的硬件采用比较器LM339把光敏器件输出信号转换成方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正向、反向移动做准确的判断；采用8253的2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用89C51单片机进行数据处理，送到显示器显示。硬件结构简单、成本低、工作可靠、精度比较高；软件采用汇编语言实现，程序简单、可读性强、效率高。被过滤广告被过滤广告摘要：提出了一种基于AT89C51单片机开发的光栅位移传感器对线性位移进行测量的方法。其硬件设计包括数据采集、辨向、数据处理和数据显示。把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器8253计数，利用AT89C51单片机进行信号处理，最终转换成实际的线性位移值显示出来。与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。关键词：光栅位移传感器；光栅；单片机；细分与辨向电路光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用1，2。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相砸贫奈灰屏浚?。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。软件采用汇编语言实现。1硬件电路本设计的硬件电路主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。11光栅位移传感器光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。12信号变换电路信号变换就是将由光敏元件输出的正弦电信号转换成方波信号。本文中采用的比较器LM339，来自光栅的莫尔条纹照到光敏元件硅光电池上，他们所输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，而在这2个比较器的负输入端分别预制一定的参考电压，该参考电压应使光栅输出的方波的高、低电平宽度一样。13细分与辨向电路131细分电路为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，传感器中采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使他正好与4个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90的4路信号，即进行4倍细分。如图2所示。132辨向电路位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。因此，本设计采用的是4个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的4路信号在相位上依次相差90，利用这种特点设计的辨向电路的如图3所示。图中u1，u2和u3，u4分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。当莫尔条纹上移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中A点有计数脉冲，B点为恒定电平；当莫尔条纹下移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中B点有计数脉冲，A点为恒定电平。用2个不同计数器分别记录上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。14LED显示本文采用动态4位显示。第1位为符号为，莫尔条纹上移为正，下移为负；第2，3位为整数位；第4位为小数位。将所有的段选线并联在一起，由单片机的P1口控制，而共阴极公共端分别由P30，P31，P32，P33控制，实现各位分时选通。2软件部分软件部分主要有采集子程序、数据处理和显示子程序组成4。采集子程序完成对计数值的读入和转化；数据处理子程序完成对采集数据的线形化处理；显示子程序对结果进行循环显示。程序的流程如图4所示。3结语本文中，设计的硬件采用比较器LM339把光敏器件输出信号转换成方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正向、反向移动做准确的判断；采用8253的2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用89C51进行数据处理，送到显示器显示。硬件结构简单、成本低、工作可靠、精度比较高；软件采用汇编语言实现，程序简单、可读性强、效率高。参考文献1刘克非，张春林，等光栅位移传感器在凸轮轮廓测线中的运用J传感器技术，2002，（21）2李殿奎光栅计量技术M北京：中国计量出版社，19873李怀琼，陈钱新型光栅信号数字细分技术及其误差分析J电子测量与仪器学报，2001，15（3）4余永权ATMLE89系列单片机应用技术M北京：北京航空航天大学出版社，2002光栅传感器在位移自动测量系统中的应用 1 引言 目前在精密机加工和数控机库中采用的精密位称数控系统框图如图1所示。图1 精密位移数控系统框图随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统得到广泛应用，并逐步向智能化方向转化。图2是利用光栅传感器构成的位移量自动测量系统原理示意图。该系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及温度误差修正等功能。下面对该系统的工作原理及设计思想作以介绍。图2 光栅传感器位移测量系统原理示意图2 电子细分与判向电路光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辩率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块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，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为 （1）式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；为两块光栅的夹角，rad在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辩率为5m的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。3 单片机与接口电路为实现可逆计数和提高测量速度，系统采用了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为 （2）若v=1m/s,d=20m,N=20，则f=1MHz，对应计数时间间隔为1，显然对于8031单片机系统的响应为2s是不能胜任的。经可逆计数器分频后，可大大地提高测量速度。由于193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采用了级联的方式，这样最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，保证送到8031的信号不丢失。本系统长度最大可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辩率为m级，需要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示“-”号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。为实现测量系统的智能化，设置了一个28方式键盘矩阵，其中包括09共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；T温度误差修正功能键；EXE执行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间通过一个接口芯片8155来连接。其中，8155的PA口设置辚基本输出方式，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方式，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方式，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，由于人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。由于从前置电路74LS54出来的脉冲经过2片193分频后，直接进入8031的仅为大于255的“大”数，而小于255的“小”数是由两片193输出通过I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是通过扩展一片8255实现的。其中，8255PB口设为基本输入方式，PB0-PB3作为1#193输入，PB4PB7作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为系统并行BCD码输出。由于8031单片机无内ROM，应外扩展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片选，不必增加地址译码。为锁存8031P0口输入的地址信号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。4 软件设计根据硬件电路和系统功能要求，我们设计了软件程序，由于采用了温度误差修正子程序，可使检测的精度得到大大提高。光栅传感器是光机电一体化结构，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当环境温度变化时，必然会引起结构尺寸改变导致光栅栅距的变化，带来检测误差。设定环境温度为20时为检测标准值，与标准值比较测出温度变化时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特殊性性曲线，由特性曲线拟合出误差一温度方程式，作为软件温度误差修正的基础。本系统软件采用模块化结构，软件编制简洁，紧凑合理。5 结论根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，系统的测精度可优于5m，目前，我们研制的利用光栅传感器进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辩率可从20m到1m，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机库改造和相关的光电尺寸与位置检测系统中。基于光栅传感器位移测量的软、硬件设计2007-01-23 13:54:46 来源：梁海锋，严一心 关键字： 光栅位移传感器 光栅 单片机 细分与辨向电路光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用1，2。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量3。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。软件采用汇编语言实现。1硬件电路本设计的硬件电路主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。11光栅位移传感器光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。12信号变换电路信号变换就是将由光敏元件输出的正弦电信号转换成方波信号。本文中采用的比较器LM339，来自光栅的莫尔条纹照到光敏元件硅光电池上，他们所输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，而在这2个比较器的负输入端分别预制一定的参考电压，该参考电压应使光栅输出的方波的高、低电平宽度一样。13细分与辨向电路131细分电路为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，传感器中采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使他正好与4个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90的4路信号，即进行4倍细分。如图2所示。光栅尺位移传感器求助编辑百科名片 光栅尺光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。目录概述 装置分类 装置结构 工作原理 1. 莫尔条纹 2. 检测与数据处理安装指导 1. 安装基面 2. 主尺安装 3. 读数头安装 4. 限位装置 5. 传感器检查注意事项概述 装置分类 装置结构 工作原理 1. 莫尔条纹 2. 检测与数据处理安装指导 1. 安装基面 2. 主尺安装 3. 读数头安装 4. 限位装置 5. 传感器检查注意事项展开编辑本段概述英文：linear encoder 光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善，更重要的是提高了现在加工时的工作效率。在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。 在这里需要说明的是，光栅尺只是一个反应装置，它可以将位移量和位移方向通过信号输出的方式反馈出来，但它不能直接显示出来，它还需要一个显示装置，我们简称它为数显显示箱，也称数显表。只有当光栅尺和数显表连接在一起的时候，才能正常的将数值反应给每一位操作者，因而，我们对于光栅尺的使用上面，还是要多了解，如果不是很专业的人员，需要知道一些专业性的知识，才能单独使用光栅尺作为反馈装置使用。 编辑本段装置分类光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。 透射光栅指的玻璃光栅. 反射光栅指的钢带光栅. 编辑本段装置结构光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。右图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。 光栅检测装置光栅检测装置结构：光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。 编辑本段工作原理常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带，从而便形成了我们所见到的摩尔条纹。 莫尔条纹以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (右图所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。 莫尔条纹W= /2* sin（/2）= / 。 莫尔条纹具有以下特征： (1)莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。 (2)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、栅线角之间有下列关系。式中，的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sin很小，则 W= / 若 =001mm，=0.01rad，则上式可得W=1，即光栅放大了100倍。 莫尔条纹计算(3)均化误差作用 莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。 检测与数据处理光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块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，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5m的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。 编辑本段安装指导光栅尺位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。 一般将主尺安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身则应安装在相对机床运动的部件上（如滑板）。 安装基面安装光栅尺位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。 基座要求做到：(1)应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座（最好基座长出光栅尺50mm左右）。(2)该基座通过铣、磨工序加工，保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外，还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于0.2mm。安装时，调整读数头位置，达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右，读数头与光栅尺尺身之间的间距为11.5mm左右。 主尺安装将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。 在安装光栅主尺时，应注意如下三点： (1) 在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。(2)在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。(3)不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。 读数头安装在安装读数头时，如果发现安装条件非常的有限，可以考虑使用附件，如角铝、直板，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在11.5mm以内。安装完毕后，可以用大拇指接触读数头与光栅尺尺身表面是否平滑、平整。 限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。 传感器检查光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。 在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。 通过以上工作，光栅尺线位移传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。因此，传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。 编辑本段注意事项（1）光栅尺位移传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。 （2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。 （3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。 （4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。 （5） 为保证光栅尺位移传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。 （6） 光栅尺位移传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅尺传感器即失效了。 （7） 不要自行拆开光栅尺位移传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 （8） 应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 （9） 光栅尺位移传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。132辨向电路位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。因此，本设计采用的是4个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的4路信号在相位上依次相差90，利用这种特点设计的辨向电路的如图3所示。图中u1，u2和u3，u4分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。当莫尔条纹上移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中A点有计数脉冲，B点为恒定电平；当莫尔条纹下移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中B点有计数脉冲，A点为恒定电平。用2个不同计数器分别记录上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。14LED显示本文采用动态4位显示。第1位为符号为，莫尔条纹上移为正，下移为负；第2，3位为整数位；第4位为小数位。将所有的段选线并联在一起，由单片机的P1口控制，而共阴极公共端分别由P30，P31，P32，P33控制，实现各位分时选通。2软件部分软件部分主要有采集子程序、数据处理和显示子程序组成4。采集子程序完成对计数值的读入和转化；数据处理子程序完成对采集数据的线形化处理；显示子程序对结果进行循环显示。程序的流程如图4所示。3结语本文中，设计的硬件采用比较器LM339把光敏器件输出信号转换成方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正向、反向移动做准确的判断；采用8253的2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用89C51进行数据处理，送到显示器显示。硬件结构简单、成本低、工作可靠、精度比较高；软件采用汇编语言实现，程序简单、可读性强、效率高。参考文献1刘克非，张春林，等光栅位移传感器在凸轮轮廓测线中的运用J传感器技术，2002，（21）2李殿奎光栅计量技术M北京：中国计量出版社，19873李怀琼，陈钱新型光栅信号数字细分技术及其误差分析J电子测量与仪器学报，2001，15（3）4余永权ATMLE89系列单片机应用技术M北京：北京航空航天大学出版社，2002利用光栅作为传感元件进行位置测量的原理是：用一对计量光栅作位移传感器，通过对莫尔条纹的计数测出移动光栅的位移量。随着光栅刻制技术的发展和莫尔条纹细分技术的不断完善，工业计量领域中的光栅技术得到了飞速发展。二、光栅的制造与检验光电刻划和光电检验是近代制造和检验高精度低成本的主要方法。在长光栅刻划中，国内或以基准光栅，或以激光干涉仪产生基准光电信号触发闪光灯进行光刻。如昆明机床厂的激光动态光刻装置，可直接刻制反射式金属光栅尺和透射式镀铬玻璃光栅尺，相邻线纹间距误差不大于，全长综合累积误差不大于。值得注意的是，国外有一种光刻机用激光干涉仪与基准光栅产生模拟形式的误差信号供给伺服机构推动母板进行微位移，达到修正基准光栅误差的目的。国外光栅尺的精度可达土。制造高精度的光栅尺离不开检验装置，而光栅检验装置所检测的重要指标是准确度自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光 源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（410-4）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要求及分布式光纤传感密集布点对光源带宽要求，L波段的研究越来越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的带宽和功率。掺铒光源在温度稳定性方面比半导体光源提高2个数量级，同时，能提供较高的功率、宽的带宽和较长的使用寿命，因此，可以扩大光纤光栅传感器的测量范围，提高检测的信噪比。 1.2 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。由于光纤光栅波长对温度与应变同时敏感，即温度与应变同时引起光纤光栅耦合波长移动，使得通过测量光纤光栅耦合波长移动无法对温度与应变加以区分。因此，解决交叉敏感问题，实现温度和应力的区分测量是传感器实用化的前提。通过一定的技术来测定应力和温度变化来实现对温度和应力区分测量。这些技术的基本原理都是利用两根或者两段具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成双光栅温度与应变传感器，通过确定2个光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，利用2个二元一次方程解出温度与应变。区分测量技术大体可分为两类，即，多光纤光栅测量和单光纤光栅测量。 多光纤光栅测量主要包括混合FBG/长周期光栅（long period grating）法、双周期光纤光栅法、光纤光栅F-P腔集成复用法、双FBG重叠写入法。各种方法各有优缺点。FBGLPG法解调简单，但很难保证测量的是同一点，精度为910-6，1.5。双周期光纤光栅法能保证测量位置，提高了测量精度，但光栅强度低，信号解调困难。光纤光栅F-P腔集成复用法传感器温度稳定性好、体积小、测量精度高，精度可达2010-6，1，但F-P的腔长调节困难，信号解调复杂。双FBG重叠写入法精度较高，但是，光栅写入困难，信号解调也比较复杂。 单光纤光栅测量主要包括用不同聚合物材料封装单光纤光栅法、利用不同的FBG组合和预制应变法等。用聚合物材料封装单光纤光栅法是利用某些有机物对温度和应力的响应不同增加光纤光栅对温度或应力灵敏度，克服交叉敏感效应。这种方法的制作简单，但选择聚合物材料困难。利用不同的FBG组合法是把光栅写于不同折射率和温度敏感性或不同温度响应灵敏度和掺杂材料浓度的2种光纤的连接处，利用不同的折射率和温度灵敏性不同实现区分测量。这种方法解调简单，且解调为波长编码避免了应力集中，但具有损耗大、熔接处易断裂、测量范围偏小等问题。预制应变法是首先给光纤光栅施加一定的预应变，在预应变的情况下将光纤光栅的一部分牢固地粘贴在悬臂梁上。应力释放后，未粘贴部分的光纤光栅形变恢复，其中心反射波长不变；而粘贴在悬臂梁上的部分形变不能恢复，从而导致了这部分光纤光栅的中心反射波长改变，因此，这个光纤光栅有2个反射峰，一个反射峰（粘贴在悬臂梁上的部分）对应变和温度都敏感；另一个反射峰（未粘贴部分）只对温度敏感，通过测量这2个反射峰的波长漂移可以同时测量温度和应变。 1.3 信号解调 在光纤光栅传感系统中，信号解调一部分为光信号处理，完成光信号波长信息到电参量的转换；另一部分为电信号处理，完成对电参量的运算处理，提取外界信息，并以人们熟悉的方式显示出来。其中，光信号处理，即传感器的中心反射波长的跟踪分析是解调的关键。光纤光栅传感器中心反射波长最直接的检测仪器是光谱仪。这种方法的优点是结构简单、使用方便。缺点是精度底、价格高、体积大，而且，不能直接输出对应于波长变化的电信号。因此，不能满足实用化自动控制的需要。为此，人们研究并提出了多种解调方法，以实现信号的快速、精确提取。可分为滤波法、干涉法、可调窄带光源法和色散法等。 滤波法包括体滤波法、匹配光栅滤波法、可调谐F-P滤波法。体滤波法的元件是波分复用器。工作原理是从耦合器出射的光分成等强度的两束，一束经与波长有关的滤波器滤波；另一束作为参考光束，两束出射光经过光电探测器变成电信号，经过处理消除光功率变化的影响，最后，得到与光纤光栅中心波长有关的输出值。该方法可以实现动态和静态参量的测量。分辨力为375x10-6，动态应变测量响应速度不超过100Hz匹配光栅滤波法是利用其他的FBG或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪FBG的波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。该方法结构简单、线性度好，分辨力可达0.410-6。该方法可以实现静态测量。但这种方法的不足之处是2个光栅要严格匹配，且传感光栅的测量范围不大。可调谐F-P滤波器法是传感阵列FBG的反射信号进入可调光纤F-P滤波器（FFP），调节FFP的透射波长至FBG的反射峰值波长时，滤波后的透射光强达到最大值，由FFP驱动电压透射波长关系可得FBG的反射峰值波长。扫描加上扰动信号构成波长锁定闭环，其应力分辨力可达0.310-6。该解调法可实现动态和静态的测量。由于FFP滤波器腔的调谐范围很宽，可以实现多传感器的解调。但高精度FFP成本较高。 滤波解调法结构简单，但很难进一步提高其传感精度。干涉法却具有更高精度，可以大大提高传感分辨力。可调窄带光源解调法可获得很高的信噪比和分辨力，实验所得最小波长分辨力约为2.3pm，对应温度分辨力约为0.2，但由于目前的光纤激光器的稳定性及可调谐范围不太理想，在一定程度上限制了光纤光栅传感器的个数和使用范围。 2、光纤光栅传感系统的发展趋势 为了适应未来光纤光栅传感系统网络化、大范围、准分布式测量。许多研究者正在光纤光栅传感系统的各方面进行不断的研究，使系统得到优化。光纤光栅传感系统的优化主要从三方面考虑，即，光源、光纤光栅传感器及信号解调。对于传感系统的优化，主要是根据传感器的数目、传感器的灵敏度和解调系统的分辨力，根据实际的测量需要，配置不同的光源、传感器和解调系统，使得成本低、测量误差小、测量精度高。针对未来光纤光栅传感系统网络化的要求，应使用稳定性好、宽带、高输出功率的光源。掺铒、掺钕、掺镱等离子的光源是今后发展的重点。光纤光栅传感器既能实现单参量的测量，又能实现多参量的测量。当单参量测量时，应提高传感器的灵敏度和测试精度。在实际应用中，要注意传感器的灵敏度和量程之间的折中。灵敏度高了，量程自然小了。这是因为光纤光栅的应变有一个极限值，超过这个极限值光栅就会被破坏。为实现准分布式测量，传感器复用数目较多，在布置传感器时，有时一个点要布置灵敏度不同的多个传感器，以实现温度和压力的大范围测量。由于传感量主要是微小波长偏移为载体，所以，一个实用的信号解调方案必须具有极高的波长分辨力。其次，要解决动态与静态信号的检测问题，尤其是二者的结合性检测已成为光栅传感实用解调技术中的难点。光纤光栅传感系统应用最大的优势在于很好地进行传感器的复用实现分布式传感，如，美国的Micron Optics公司，新推出的FBGSLI采用可调激光扫描方法，利用时分技术