高分辨率直线位移测量系设计.doc

毕业设计（论文）开题报告 题 目 高分辨率直线位移测量系统设计 专 业 测控技术与仪器 班 级 仪 081 班 学 号 3080241009 学 生 申涛 指导教师 邵 伟 二一二年一、毕业设计(论文)课题来源、类型 光栅传感器凭借自身抗电磁干扰强等优点，多年来倍受关注。如今各种光栅传感器已经广泛地应用于工业、军事和医疗等广大领域。现实应用当中，因位移量是既容易测量又容易获得高精度的检测量，所以很多其它如压力、振动和加速度等物理量也往往转换成位移量而间接得以测量。因此位移测量成为了其它很多物理量测量的基础。多年对光栅位移传感器的研究，已经出现了多种不同类型的光栅位移传感器。其中应用最多的就是反射式强度调制光栅传感器。由于其固有的简单结构、尺寸小、易于携带、频响宽、分辨率高和可实现非接触测量的特点，使这类传感器得到了许多应用。但是，这类传感器也有其自身固有的缺点：首先，由于它是直接用接收到的光强的大小来反映位移量的变化，因此，测量稳定性和测量精度易受光源和测量背景光强度波动、外界对光路的扰动、温度变化等引起的光纤传输特性的变化的影响。要实现时间稳定性高的实用化的系统，在设计上必须要采用适当方式来消除干扰；，由于这类传感器工作原理的限制，使得这类传感器的线性动态范围小，而且动态范围和测量灵敏度之间存在一个折衷关系，因此要同时获得大量程和高灵敏度和高稳定性的系统，必须要从光纤传感头的结构设计、光栅类型的选择以及发射和接收电路的设计和实现上做许多优化工作。二、选题的目的及意义 高分辨率测量系统具有光栅测量系统、信号调理电路、信号细分电路三部分。位移测量是工业生产中一项主要的测量手段。位移的测量方法很多，如:光学法、机械法、电子学法(电容和电感)、电磁法、光电法、光纤法、力学法、热学法等等，它们各有优缺点和不同的应用场合。其中光栅位移测量法具有高分辨力、高精度、高稳定度、高智能化、无接触测量、动态测量等明显的特点，具有广泛的应用前景光栅传感器作为光电式传感器的一种，在现代测控技术领域中，光栅位移传感器在线位移、角位移测量中得到了广泛应用。与长度(或直线位移)和角度(或角位移)测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、速度应力应变等机械量测量中也有应用。三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势位移测量是工业生产中一项主要的测量手段。位移的测量方法很多，如:光学法、机械法、电子学法(电容和电感)、电磁法、光电法、光纤法、力学法、热学法等等，它们各有优缺点和不同的应用场合。其中光栅位移测量法具有高分辨力、高精度、高稳定度、高智能化、无接触测量、动态测量等明显的特点，具有广泛的应用前景。光栅传感器作为光电式传感器的一种，在现代测控技术领域中，光栅位移传感器在线位移、角位移测量中得到了广泛应用。与长度(或直线位移)和角度(或角位移)测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、速度应力应变等机械量测量中也有应用。20世纪60年代激光的问世以来，随着计算机技术的迅猛发展，给光电位移测量这一现代测量技术及其测量设备增添了无限生机和活力，极大地加速了它的发展，测量原理和技术不断创新，测量器具和设备日新月异，测量方法和操作越趋简明，为科学发展、技术创新、经济繁荣和社会进步做出越来越大的贡献。高分辨率测量系统的发展趋势是:l)向更深、更广的应用空间发展;2)向高分辨率，高精度和高稳定度的目标发展;3)向小型化、系列化、智能化、多用化方面发展;4)向实用性、经济性、可靠性、综合性方向发展。四、本课题主要研究内容根据课题要求，设计一个高分辨率直线位移测量系统。通过光栅测量系统、信号调理电路及信号细分来实现高分辨率直线位移的测量。 具体如下：1. 了解本系统设计的目的及意义；2. 了解该系统目前在国内外的研究状况及发展趋势；3. 查阅资料，了解该系统的结构、原理及应用特性；4. 了解光栅系统测量的基本原理；5. 熟悉信号调理电路德基本方法及选择；6. 掌握信号细分原理，不同的细分方法之间的区别和各自的优缺点；7. 对两种以上的细分方案进行比较论证，选择较好的方案；8. 测量系统流程的设计；9. 学习protel199se绘制电路原理图PCB图的方法软件，并绘制系统的原理图和PCB图；10. 进行电路调试，完成高分辨率直线位移测量系统的设计。五、完成论文的条件和拟采用的研究手段（途径）一、光栅系统测量原理： 光栅传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹是把两块栅距相等的光栅(光栅1、光栅2)面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角e，这样就可以看到近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的。两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。 莫尔条纹测位移具有以下两个方面的特点： 1、位移放大作用当光栅每移动一个光栅栅距砰时，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与两光栅线纹夹角夕之间的关系为 B= 式中 B相邻两根莫尔条纹之间的间距; W光栅栅距; 两光栅线纹夹角。 从上式可知，越小，条纹间距B将变得越大，莫尔条纹具有放大 作用，其放大倍数为: K= 这相当于把栅距w放大了1/倍。例如砰=0.02mm，=0.1则B=11.4592mm，1/573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，用其他方法很难得到这样的放大倍率。所以尽管栅距很小，难以观察到，但莫尔条纹却清晰可见。这有利于布置接收莫尔条纹信号的光电元件。从式可以看出，调整夹角夕，可以改变莫尔条纹的宽度，得到所需的B值，同时也说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。 2、莫尔条纹移动方向若光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动;反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。莫尔条纹的移动方向与光栅运动的方向见表2一1。 表2一1莫尔条纹的移动方向与光栅运动的方向 光栅1相对光栅2的转角方向 光栅1 移动方向 莫尔条纹 移动方向顺时针方向向左向下向右向上逆时针方向向左向下向右向上二、细分电路原理 细分的基本原理是;根据周期性测量信号的波形振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。 如下图所示，是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的D型触发器和时钟发生电路。由图可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生正向或反向输出脉冲。当某道由于振动在高、低间往复变化时，将交替产生正向和反向脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。 四倍细分电路四倍细分波形图三、系统框图： 信号调理光电转换光栅传感器信号控制计数显示细分电路六、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标： 12周：了解课题的内容及要求，查阅相关的资料、文献和论文等； 34周：整理查阅的资料，确定课题的设计方案，撰写开题报告； 59周：了解实验所涉及的每一个