光栅装置测量电路设计.doc

光栅装置测量电路设计、组装与调试1. 光栅测量装置的细分判向电路原理 光栅装置在位置检测中的应用光栅分为物理光栅和计量光栅，计量光栅栅距大一些，常用于检测直线位移和角位移等，计量光栅装置是数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台及某些坐标测量仪器上使用广泛的检测装置。光栅测量原理光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，光栅位移传感器产生黑白相间莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到可逆计数器对移动的莫尔条纹进行计数，代表位移的计数值最后送到计算机接口并读入计算机内存。光栅位移测量装置光栅位移测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、接口传送的测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现放大整形、细分和判向、脉冲计数等功能的电子系统和相应的机械机构。如图4-29所示。图4-29光栅位移测量装置2. 光栅装置电路设计光栅测量装置的放大整形、细分和判向电路信号转换电路与放大电路莫尔条纹信号是放大的光栅信号，光电转换器件选硅光电池，莫尔条纹信号采用4极硅光电池接收。光栅栅距W，可得最小读数值W4。整形电路采用信号比较电路进行整形。四重比较器集成芯片LM339构成信号比较电路，放大的电信号加到LM339的4个比较器的正输入端上，对这4路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，而且数字0，1的电平符合TTL电平。在这4个比较器的负输入端分别预置一定的参考电压，可调整该参考电压使光栅输出的方波具有合适域值和高、低电平宽度。电路见图4-30，波形见图4-31。图 4-30 放大整形、细分和判向电路波形图细分和判向电路图4-31放大整形、细分和判向电路波形图为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用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，使它正好与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。图4-31光栅位移波形图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，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，W光栅的栅距，x标尺光栅位移量。标尺光栅左移时，4个硅光电池输出的4路信号：UaU0UmSIN() UbU0UmSIN(90) U0UmCOS()UcU0UmSIN(180) U0UmSIN()UdU0UmSIN(270) U0UmCOS()标尺光栅右移时，4个硅光电池输出的4路信号：UaU0UmSIN(270) U0UmCOS()UbU0UmSIN(180) U0UmSIN()UcU0UmSIN(90) U0UmCOS()UdU0UmSIN()利用这种特点设计的辨向电路的如图4-30所示，波形见图4-31。图中Ua，Ub和Uc，Ud分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。如图4-30所示，用2个不同计数器分别记录莫尔条纹上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。可得到四个相位依次为0、90、180、270的方波信号，它们分别经RC微分电路，可得到四个尖脉冲信号。当指示光栅正向移动时，四个微分信号分别和有关的方波高电平相遇，可以在74LS54-1的输出端得到四个加法计数脉冲，74LS54-2保持低电平。如图4-30所示。反之，当指示光栅反向移动时，可以在74LS54-2的输出端得到四个减法计数脉冲。 当莫尔条纹上移时，4个硅光电池输出信号Ua，Ub和Uc，Ud相位依次相差90。工作过程是：(1) 比较器LM339输出Vb高电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Va通过0的与或非门产生一个加一计数脉冲；(2) 比较器LM339输出Va高电平，打开相应90的与门，微分电路输出的微分信号Va通过90的与或非门产生一个加一计数脉冲；(3) 比较器LM339输出Vd高电平，打开相应180的与门，微分电路输出的微分信号Vc通过180的与或非门产生一个加一计数脉冲；(4) 比较器LM339输出Vc高电平，打开相应270的与门，微分电路输出的微分信号Vb通过270的与或非门产生一个加一计数脉冲；在上移一个莫尔条纹周期中，四极硅光电池通过辨向电路输出四个加法计数脉冲。当莫尔条纹下移时，另一组与或非门工作，4个硅光电池输出信号Ud，Uc和Ub，Ua相位反向依次相差90。工作过程是：(1) 比较器LM339输出Vc高电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Vd通过0的与或非门产生一个减一计数脉冲；(2) 比较器LM339输出Vd高电平，打开相应90的与门，微分电路输出的微分信号Va通过90的与或非门产生一个减一计数脉冲；(3) 比较器LM339输出Va高电平，打开相应270的与门，微分电路输出的微分信号Vb通过270的与或非门产生一个减一计数脉冲；(4) 比较器LM339输出Vb高电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Vc通过0的与或非门产生一个减一计数脉冲；在下移一个莫尔条纹周期中，四极硅光电池通过辨向电路输出四个减法计数脉冲。 可逆脉冲计数电路位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。可逆脉冲计数电路根据加法和减法脉冲累积位移大小和方向；假设位移的距离d，光栅传感器栅距为W，细分数为4，则计数脉冲累积数为N。N.4 （4-3）若光栅W0.05mm（25线mm）,d150mm,N12000。可逆脉冲计数电路需要16位即2字节长；由于74LS193是4位二进制输出，把四片74LS193