精密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng) 2.doc

精密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 精密工作臺(tái)的光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí) 報(bào)告人姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 完成時(shí)間 2014年 1 月 3 日 摘 要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，定位測(cè)量與控制系統(tǒng)是精密儀器中的一個(gè)重要組成部分，特別是對(duì)高精度的儀器尤為重要。精密工作臺(tái)光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng)是一種包括激光干涉儀、光柵、線紋尺、感應(yīng)同步器、磁柵及碼盤等多個(gè)元器件組成的精確地的定位測(cè)量與控制系統(tǒng)。本次課程設(shè)計(jì)提出精密工作臺(tái)光柵定位測(cè)量與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)。以光柵莫爾條紋為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了工作臺(tái)的光學(xué)系統(tǒng)，采用100線對(duì)/mm的光柵尺，即柵距為10um。對(duì)莫爾條紋的工作原理、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和細(xì)分技術(shù)進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了相位跟蹤細(xì)分法對(duì)莫爾條紋進(jìn)行20倍細(xì)分。利用8051單片機(jī)和8253計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過RS232接口實(shí)現(xiàn)通訊，并由PID控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。目前，精密定位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精密定位測(cè)量的要求也會(huì)隨之提高。為了滿足更高的要求，精密定位測(cè)量技術(shù)不但要達(dá)到更高的分辨率，還要適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。關(guān)鍵詞：光柵定位系統(tǒng)；光纖光柵傳感器；激光干涉儀；測(cè)量控制目 錄第1章 緒論11.1 國外研究發(fā)展及現(xiàn)狀11.2 國內(nèi)研究發(fā)展及現(xiàn)狀21.3 測(cè)量方法3第2章 總體設(shè)計(jì)方案52.1 方案構(gòu)思52.2 運(yùn)動(dòng)范圍和精度的實(shí)現(xiàn)7第3章 測(cè)量方法設(shè)計(jì)83.1 測(cè)量方案框圖8圖2 測(cè)量方案框圖83.2 測(cè)量原理詳述83.2.1 光柵傳感器83.2.2 光柵莫爾條紋的辨向28113.2.2 軟硬件電路實(shí)現(xiàn)12第4章 控制方法設(shè)計(jì)154.1 控制系統(tǒng)總體方案154.2 控制原理154.3 軟、硬件的實(shí)現(xiàn)16第5章 測(cè)控電路總設(shè)計(jì)18第6章 總結(jié)21參考文獻(xiàn)22第1章 緒論1.1 國外研究發(fā)展及現(xiàn)狀 最早的光柵，要?dú)w功于美國天文學(xué)家李敦豪斯（David Rittenhouse，1732 1796）。1786年，他在兩根由鐘表匠制作的細(xì)牙螺絲之間，平行地繞上細(xì)絲，在暗室里透過它去看百葉窗上的小狹縫時(shí)，觀察到三個(gè)亮度差不多相同的像，在每邊還有幾個(gè)另外的像，“離主線越遠(yuǎn)，它們?cè)桨档?，有彩色?并且有些模糊?！?他實(shí)際上制成了透射光柵，還在費(fèi)城做了光柵實(shí)驗(yàn)。他制作的最好光柵，約為4.3/mm。1801 年楊氏（Thomas Young，17731829）在“光的理論”一文中，介紹了他研究光柵的情況。他利用一塊刻有相鄰間隔約為 0.05mm 的一系列平行線的玻璃測(cè)微尺，當(dāng)作光柵，作了如下的觀察:“讓陽光以45方向入射，當(dāng)其以某一條刻線為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)出光的偏轉(zhuǎn)角；我發(fā)現(xiàn)最亮的紅線出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角為10.5，20.75，32和 45處，它們的正弦之比為1，2，3和4?！?1813年，他認(rèn)識(shí)到所觀察到的彩色是由于相鄰刻線的微小距離所致。在光柵發(fā)展早期，人們對(duì)光柵的認(rèn)識(shí)還只是初步的，在光柵制作上也僅僅是開始償試。3從20世紀(jì)50年代至70年代，柵式測(cè)量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測(cè)量系統(tǒng)都是將一個(gè)柵距周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合起來，測(cè)量單位不是像激光一樣的光波波長(zhǎng)，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，相互補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到了發(fā)展。但光柵測(cè)量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其它4種，而且其制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展最快，技術(shù)性能最高，市場(chǎng)占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。在柵式測(cè)量系統(tǒng)中，光柵的占有率已超過80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)；測(cè)量速度從60m/min至480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從1m、3m至30m和100m。 計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)莫爾條紋（Moire fringes）是由英國物理學(xué)家L Rayleigh首先提出的。到20世紀(jì)50年代才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950年，德國Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制工藝，即在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，可制造出高精度、價(jià)格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計(jì)量?jī)x器才被廣大用戶所接受，并進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953年，英國Ferranti公司提出了一個(gè)4相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直應(yīng)用至今。60年代初，德國Heidenhain公司開始開發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4m（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉(zhuǎn)的圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)1m和1角秒的測(cè)量分辨率。1966年又制造出了柵距為20m（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出了AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵，并在光柵一個(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。1987年，又提出一種新的干涉原理，即采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對(duì)編碼器的EnDat雙向串行快速連續(xù)接口，使絕對(duì)編碼器和增量編碼器一樣很方便地應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)。現(xiàn)在光柵測(cè)量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。在Heidenhain公司的產(chǎn)品銷售額中，直線光柵編碼器約占40%，圓光柵編碼器占30%，數(shù)顯、數(shù)控及倍頻器占30%。Heidenhain公司總部的年銷售額約為7億歐元（不含Heidenhain跨國公司所屬的40家企業(yè)）。國外企業(yè)的人均產(chǎn)值在1015萬美元左右，研究開發(fā)人員約占雇員的10%，產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費(fèi)約占銷售額的15%。1.2 國內(nèi)研究發(fā)展及現(xiàn)狀位置檢測(cè)技術(shù)及數(shù)顯技術(shù)是我國重點(diǎn)發(fā)展和推廣的新技術(shù)。多年來在航空航天、精密機(jī)械儀器、數(shù)顯數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為高科技的組成部分。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和微處理器的出現(xiàn)，采用電子學(xué)細(xì)分和數(shù)字化處理的方 法對(duì)對(duì)測(cè)量傳感器的節(jié)距進(jìn)行電子細(xì)分和誤差修正，以提高測(cè)量系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)準(zhǔn)確度已成為可能。20世紀(jì)90年代，中國的數(shù)顯技術(shù)和裝備，從研究開發(fā)逐步走向商品化、產(chǎn)品化、國際化，并參與了國際交換和競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)顯技術(shù)從20世紀(jì)80年代以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床行業(yè)為起點(diǎn)，發(fā)展到21世紀(jì)以“數(shù)顯裝置”裝備了中國的機(jī)床產(chǎn)業(yè)，使機(jī)床的數(shù)顯化率達(dá)到30%，達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平，數(shù)顯裝置以經(jīng)濟(jì)適用的價(jià)格，普及到整個(gè)機(jī)床行業(yè)，給“中國制造”奠定了基礎(chǔ)。在檢測(cè)系統(tǒng)中，光柵占有明顯優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的市場(chǎng)前景。4我國在光柵方面的研究起步較晚，始于1960年前后，并在長(zhǎng)光柵和圓光柵的制造、應(yīng)用方面取得了許多成果。但是，我們與當(dāng)今世界上主要的光柵測(cè)量裝置生產(chǎn)廠家相比，（如德國的OPTION。Heidenhain公司、日本的三豐、雙葉、美國的B &L公司等）還有一定的差距，主要表現(xiàn)在：制造精度比較低，批量程度差，品種比較單一。此外，目前發(fā)達(dá)國家在數(shù)控技術(shù)方面均投人大量的人力物力，研究和開發(fā)了一系列新一代的數(shù)控設(shè)備，例如，德國的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。雖然我國數(shù)年來也不斷對(duì)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行發(fā)展，但是出于種種原因且直到到今天我國數(shù)控領(lǐng)域依然處于比較落后的局面，我們必須對(duì)數(shù)控技術(shù)不斷加以研究和探索，使整個(gè)現(xiàn)代工業(yè)加工的基礎(chǔ)領(lǐng)域能有較大的發(fā)展，從而使得工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。51.3 測(cè)量方法現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科，涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學(xué)科的支持。在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中，測(cè)量?jī)x器具有精密化、集成化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)6。就其測(cè)量精度而言已由微米向納米提升，而這是離不開測(cè)量技術(shù)與設(shè)備的。 現(xiàn)階段的測(cè)量技術(shù)主要有：掃描探針顯微鏡（STM）其空間分辨率可達(dá)極高（平行和垂直分辨率可達(dá)0.1nm和0.01nm），廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域；掃描X射線干涉技術(shù)是利用單晶硅的晶面間距作為亞納米精度的基本測(cè)量單位，加上X射線波長(zhǎng)比可見光波波長(zhǎng)小2個(gè)數(shù)量級(jí)，有可能實(shí)現(xiàn)0.01nm的分辨率；光學(xué)干涉顯微鏡包括外差干涉測(cè)量技術(shù)（光外差干涉輪廓儀具有0.1nm分辨率）、超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù)、基于FP（FebryPerot）標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)（具有極高的靈敏度和準(zhǔn)確度，精度0.001nm）等；超精密測(cè)量電容測(cè)微儀其特點(diǎn)是非接觸測(cè)量，精度高、價(jià)格低，但測(cè)量范圍有限，測(cè)量穩(wěn)定性和漂移常令人不滿意；雙頻激光干涉儀-精度高，測(cè)量范圍大，因此常用于超精密機(jī)床作位置測(cè)量和位置控制測(cè)量反饋元件，但這種測(cè)量方法對(duì)環(huán)境要求高，對(duì)生產(chǎn)機(jī)床在時(shí)間加工中往往過于苛刻，很難加以保證7。 以上幾種測(cè)量技術(shù)高造價(jià)或者高環(huán)境要求，而超精密光柵尺不但有價(jià)格便宜，環(huán)境要求低的優(yōu)點(diǎn)外，還具又很多優(yōu)勢(shì)：（1） 測(cè)量精度高計(jì)量光柵應(yīng)用莫爾條紋原理，莫爾條紋是由許多刻線綜合作用結(jié)果，故對(duì)刻劃誤差又均化作用，因此利用莫爾條紋信號(hào)所測(cè)量的位置精度較線紋尺高，可用于高精度的定位系統(tǒng)。（2） 讀數(shù)速率高莫爾條紋的取數(shù)率一般取決與光電接收元件和所使用電路的時(shí)間常數(shù)，取數(shù)率可從每秒零至數(shù)十萬次，既可用于靜止的也可用于運(yùn)動(dòng)的，非常適于動(dòng)態(tài)測(cè)量的定位系統(tǒng)。（3） 分辨率高光刻、復(fù)制技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展以及莫爾條紋細(xì)分技術(shù)日益成熟，使光柵測(cè)量分辨率能達(dá)到納米級(jí)。（4） 讀數(shù)易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化莫爾條紋信號(hào)接近正弦，比較適合與電路處理，故其測(cè)量位移的莫爾條紋可用光電轉(zhuǎn)換以數(shù)字形式顯示或輸入計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且穩(wěn)定可靠。 另外由光柵產(chǎn)生的莫爾條紋也有優(yōu)點(diǎn)：（1）將光柵常數(shù)非常小的、高精度的、人眼不能直接觀察的光柵放大，可以用人眼或儀器直接觀察到莫爾條紋，測(cè)量精度可以達(dá)到1m；（2）條紋呈周期變化，便于讀數(shù)和消除隨機(jī)誤差；（3）光柵尺可以印在塑料薄膜上，成本低，使用方便。第2章 總體設(shè)計(jì)方案2.1 方案構(gòu)思本文采用在研制垂直掃描白光干涉表面三維測(cè)試系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)的一種微位移工作臺(tái)。該工作臺(tái)采用了粗、精兩級(jí)定位機(jī)構(gòu)，測(cè)量時(shí)大范圍的掃描由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲杠機(jī)構(gòu)完成，納米級(jí)的定位則由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)疊層式平行平板柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn);以衍射光柵作為位置測(cè)量傳感器，反射式衍射光柵貼在工作臺(tái)上，符合阿貝測(cè)量原則。設(shè)計(jì)的工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)0300 mm的位移范圍，0.5m的定位分辨力。作為理想精密微動(dòng)工作臺(tái)，應(yīng)滿足下列要求：1) 微動(dòng)工作臺(tái)的支承或?qū)к壐睉?yīng)無機(jī)械磨擦和無間隙，使其具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復(fù)精度，同時(shí)還應(yīng)滿足工作行程；2) 微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)定性；3) 微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保微動(dòng)臺(tái)有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力，即最好采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，無傳動(dòng)環(huán)節(jié)；微動(dòng)系統(tǒng)要便于控制，而且響應(yīng)速度快。本文設(shè)計(jì)主要由光柵定位傳感器、直流電機(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部件組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制?？傮w設(shè)計(jì)框圖（圖1）如下：光柵位移傳感器校正方向新號(hào)脈沖信號(hào)精密工作臺(tái)直流電機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)控電路圖1 總設(shè)計(jì)框圖從經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度，本系統(tǒng)的總體思路：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收測(cè)控電路的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，并按直流電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止信號(hào)。因此，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無、方向或頻率。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的直線位移。通過光柵位移傳感器測(cè)量當(dāng)前工作臺(tái)的實(shí)際位移，再把測(cè)量到的實(shí)際位移反饋到控制電路?？刂齐娐钒褜?shí)際位移與給定位移進(jìn)行比較，通過實(shí)際位移與給定位移的偏差實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的位置進(jìn)行控制。測(cè)控電路把輸出通過脈沖信號(hào)傳到直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)位移的校正。在控制方法的選取上，典型伺服系統(tǒng)如開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)的基本配置、控制原理及控制特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)以直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，直線電動(dòng)機(jī)的自身質(zhì)量小，產(chǎn)生的推力由于直接作用在移動(dòng)物體上，故可得到高效率的驅(qū)動(dòng)特性。由于直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)僅由兩個(gè)互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動(dòng)部件，也無機(jī)械滯后以及螺距誤差，從而可達(dá)到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承。當(dāng)用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)時(shí)，可達(dá)到高剛度和高固有頻率，從而達(dá)到極好的伺服性能。而直流步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它同時(shí)完成兩個(gè)工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度9。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)在于，這類系統(tǒng)是靠偏差進(jìn)行控制的，因此在整個(gè)控制過程中始終存在著偏差；由于元件存在慣性（如負(fù)載的慣性），如參數(shù)配置不當(dāng)，容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至無法工作。在測(cè)試技術(shù)中，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著感受和傳輸信號(hào)的重要任務(wù)。傳感器的類型是多種多樣的，其優(yōu)缺點(diǎn)也是各有側(cè)重收元件后變?yōu)?。這里采用較高的系統(tǒng)定位精度（0.01um）、故選擇光柵位移檢測(cè)系統(tǒng)。光柵經(jīng)接周期性變化的電信號(hào)，采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反向。利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果，軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。本測(cè)量設(shè)計(jì)的硬件電路主要由光柵位移傳感器、差分放大電路、細(xì)分與辨向電路、單片機(jī)8051、AD轉(zhuǎn)換和LED顯示組成。光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)由光柵傳感器產(chǎn)生兩組信號(hào)分別經(jīng)過差動(dòng)放大與整形器整形后,輸出脈沖信號(hào)然后經(jīng)過4倍頻與細(xì)分電路進(jìn)入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而單片機(jī)對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動(dòng)的方向上放置光電探測(cè)器?？蓪⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這樣就可實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。位移一般是從靜止開始移動(dòng)的。光電信號(hào)的最低頻率為零，所以前置放大器采用直流寬帶放大器。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,采用了由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。2.2 運(yùn)動(dòng)范圍和精度的實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)采用的精度為0.1um，所以在選擇柵距的時(shí)候選100線對(duì)/mm，其柵距為0.01mm，在經(jīng)過一個(gè)5倍頻信號(hào)和4細(xì)分電路聯(lián)級(jí)的細(xì)分電路，經(jīng)細(xì)分后的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)/轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)再次通過1個(gè)上述的20細(xì)分電路，得到分辨率為0.5m的計(jì)數(shù)脈沖。計(jì)數(shù)器選擇1和16位的計(jì)數(shù)器，經(jīng)細(xì)分后的信號(hào)以一個(gè)柵距40m為一次計(jì)數(shù)，25000為置頂，超過25000則計(jì)數(shù)器置位，反饋量返回單片機(jī)，單片機(jī)控制工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。第3章 測(cè)量方法設(shè)計(jì)3.1 測(cè)量方案框圖 對(duì)位移的測(cè)量，現(xiàn)在有很多方法，對(duì)于精密儀器和測(cè)量計(jì)量中，采用光柵位移傳感器進(jìn)行位移的測(cè)量。光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，由光柵傳感器產(chǎn)生兩組信號(hào)分別經(jīng)過差動(dòng)放大與整形器整形后，輸出脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過細(xì)分電路進(jìn)入單片機(jī)控制系統(tǒng)，從而單片機(jī)對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋，在條紋移動(dòng)的方向上放置光電探測(cè)器，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這樣就可實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于位移是一號(hào)，由4個(gè)光電器件獲得的4路光電信號(hào)分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的2路信號(hào)其相位差為/2，經(jīng)過整形器后整形為占空比為1比1的方波，由于光柵在作正向或反向移動(dòng)時(shí)，從差放輸出的兩路信號(hào)相位差都是/2，將2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行辨向。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行辨向后，辨向后的信號(hào)經(jīng)過細(xì)分，達(dá)到更高的精度，經(jīng)細(xì)分后的信號(hào)通過計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路（D/A）光柵傳感器單片機(jī)計(jì)數(shù)器辯向細(xì)分電路圖2 測(cè)量方案框圖3.2 測(cè)量原理詳述 3.2.1 光柵傳感器光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成（見圖3）。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強(qiáng)反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。圖3 光柵式傳感器工作原理圖本光柵測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是：光柵傳感器為兩個(gè)光敏三極管，其輸出是與光柵莫爾條紋對(duì)應(yīng)的、相位不同的近正弦波狀的電信號(hào)，再經(jīng)差動(dòng)放大、整型、細(xì)分、方向辯別等電路，最終送到可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。該系統(tǒng)對(duì)工作平臺(tái)位移的檢測(cè)是通過光柵移動(dòng)產(chǎn)生的莫爾條紋與光電檢測(cè)電路配合完成的，并以單片機(jī)為核心構(gòu)成信號(hào)處理與開環(huán)控制。光柵是一種最常用的測(cè)量裝置，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)1011。光柵由光柵尺和光柵讀數(shù)頭兩部分組成， 光柵讀數(shù)頭如圖4所示。標(biāo)尺光柵指示光柵透鏡光源驅(qū)動(dòng)電路光敏元件圖4 光柵讀數(shù)頭將標(biāo)尺光柵固定在工作臺(tái)上，光柵讀數(shù)頭固定在機(jī)架上。安裝時(shí)要嚴(yán)格保證兩光柵的平行度以及二者之間的間隙要求（0. 05 0. 1 mm） 12。同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距P必須相同。安裝時(shí)將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度H，使兩塊光柵的刻線相交，當(dāng)平行光垂直照射標(biāo)尺光柵時(shí)，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的莫爾條紋。由于兩塊光柵的柵距P相等，產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與光柵刻線方向大致垂直，其幾何關(guān)系如圖5所示。圖5 莫爾條紋的方向與光柵刻線方向幾何關(guān)系 莫爾條紋的寬度W 與光柵線紋的關(guān)系為:由于很小， ，則。當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿與光柵移動(dòng)方向垂直的方向移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋就相應(yīng)準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)寬度W。因此，只要讀出移過的莫爾明條紋的數(shù)目，就可以知道暗光柵移過了多少個(gè)柵距。而柵距在制造光柵時(shí)是已知的，所以光柵的移動(dòng)距離就可以通過光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)移過的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理后自動(dòng)測(cè)量出來。3.2.2 光柵莫爾條紋的辨向28莫爾條紋的光強(qiáng)度近似呈正（余）弦曲線變化，光電元件所感應(yīng)的光電流變化規(guī)律近似為正（余）弦曲線。經(jīng)放大、整形后，形成脈沖，可以作為計(jì)數(shù)脈沖直接輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)器中計(jì)算脈沖數(shù)，根據(jù)脈沖的個(gè)數(shù)可以確定位移量。對(duì)于普通數(shù)控機(jī)床改造如果對(duì)辨向和細(xì)分沒有更多特殊要求，綜合改造成本考慮，可以采用普通辨向電路 13 -14，其原理如圖6所示。當(dāng)莫爾條紋正向移動(dòng)時(shí)，輸入可逆計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)累加；反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去莫爾條紋反向移動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖，這樣就可根據(jù)計(jì)數(shù)器顯示的計(jì)數(shù)脈沖的增加和減少來辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向15。U1U1MUO1可逆計(jì)數(shù)器觸發(fā)器Y1微分整形放大U2UO2整形放大CP反向微分延遲Y2+圖6 普通辨向電路原理其產(chǎn)生波形圖如圖7：圖7 辯向莫爾條紋產(chǎn)生的波形3.2.2 軟硬件電路實(shí)現(xiàn)在采用莫爾條紋測(cè)量位移的時(shí)候，若單純的對(duì)一個(gè)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，則儀器的分辨率就是一個(gè)周期，所測(cè)得的分辨率較難達(dá)到較高要求，因此，需要根據(jù)周期性測(cè)量信號(hào)的波形、振幅或者相位的變化規(guī)律，在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行插值，也就是細(xì)分，從而獲得更高的精度16。電子細(xì)分就是把柵距進(jìn)行N等分，是時(shí)間域上通過相對(duì)信息的測(cè)量達(dá)到細(xì)分的目的。通過光電轉(zhuǎn)換，將莫爾條紋轉(zhuǎn)成點(diǎn)信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)。在倍頻法細(xì)分電路中，需要結(jié)合電阻鏈細(xì)分，電阻鏈細(xì)分就是將正弦信號(hào)施加在電阻鏈的兩端，在電阻鏈的節(jié)點(diǎn)上可得到幅值和相位各不相同的電信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)整形，脈沖形成后，就能在正余弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)得到若干計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)分17。下圖8為五倍頻細(xì)分：圖8 五倍頻細(xì)分電路整個(gè)細(xì)分電路由電阻移相網(wǎng)絡(luò)、比較器和邏輯電路組成。電阻移相網(wǎng)絡(luò)給出10路移相信號(hào)，移相電阻去10千歐、24千歐、33千歐、56千歐四種，電壓比較器將10路移相信號(hào)與參考信號(hào)U1進(jìn)行比較，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。從比較器得到的10路信號(hào)再經(jīng)過異或門邏輯組合電路，在41和40處得到相差90的5倍頻方波信號(hào)。將5倍頻細(xì)分和下圖（圖9）四細(xì)分級(jí)相聯(lián)，可以達(dá)到20倍細(xì)分18。圖9 四細(xì)分電路第4章 控制方法設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)總體方案控制體統(tǒng)總體方案框圖（圖10）直流電機(jī)工作臺(tái)單片機(jī)反饋裝置圖10 控制體統(tǒng)總體方案框圖作為一個(gè)控制系統(tǒng)，有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)四種控制方式。開環(huán)控制系統(tǒng)一般來說結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)，但控制精度往往較低。所謂閉環(huán)伺服，就是系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，在被控的運(yùn)動(dòng)過程中，測(cè)量環(huán)節(jié)不斷測(cè)出實(shí)際的輸出量和給定的量進(jìn)行比較，然后用其差值進(jìn)行控制，以獲取高精度。半閉環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)伺服的區(qū)別在于檢測(cè)裝置不是安裝在工作臺(tái)上，而是裝在滾珠絲杠或電機(jī)軸的端部19-20。復(fù)合控制系統(tǒng)21是在閉環(huán)控制系統(tǒng)上附加一個(gè)對(duì)輸入量或?qū)Ω蓴_作用進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆佂罚ǚ謩e稱為按輸入量補(bǔ)償和按干擾作用補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制系統(tǒng)）。這次的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要用反饋量進(jìn)行更高的精度，所以選用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。4.2 控制原理這次精密工作臺(tái)定位控制系統(tǒng)就是采用下圖（圖11）所示的閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和控制裝置三部分組成，定位系統(tǒng)總的操作控制由微機(jī)來完成。微機(jī)發(fā)送目標(biāo)位移量到單片機(jī)中，由單片機(jī)中的預(yù)置軟件模塊來控制定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移定位22。單片機(jī)控制定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同時(shí)，檢測(cè)裝置不斷地對(duì)微位移工作臺(tái)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到實(shí)際位移量信號(hào)反饋控制裝置中與目標(biāo)位移量進(jìn)行比較，其差值作為新的控制量進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)定位，直到達(dá)到所要求的定位精度為止。干擾輸出量+輸入量控制裝置被控對(duì)象-反饋裝置圖11 閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理為：先由人為的給定一初始位移W1，通過點(diǎn)偶就轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，電信號(hào)通過置放大電路，直流電機(jī)接受脈沖信號(hào)，使直線直流電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，工作臺(tái)移動(dòng)位移W2。光柵傳感器通過測(cè)量，將測(cè)量的W2與W1進(jìn)行比較，形成反饋量 反饋量再次通過單片機(jī)轉(zhuǎn)為脈沖信號(hào)，直流電機(jī)通過矯正，達(dá)到原定的位移W1。4.3 軟、硬件的實(shí)現(xiàn) 定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)精密定位的關(guān)鍵技術(shù)之一，選擇合適的方案顯得尤為重要。由于我們要求微動(dòng)工作臺(tái)具有高速度、高精密，而高速度、大行程勢(shì)必給工作臺(tái)帶來較大的慣性，很難達(dá)到較高的定位精度。為了解決高速度和高精度的矛盾，我們采用伺服電機(jī)來執(zhí)行工作臺(tái)之間的鏈接來實(shí)現(xiàn)微位移的移動(dòng)23。 直流電機(jī)選用定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將繼續(xù)能轉(zhuǎn)換為電能。圖12為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路原理：圖12 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路原理 圖中有R1起著總的限流作用，而且引腳內(nèi)部有上拉電阻，這樣保證電路不會(huì)通過太大的電流，在R2的選擇上，R2的上拉作用不但對(duì)Q1有影響，而且對(duì)Q2的導(dǎo)通也有影響。R2取5.1k。直流電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，是整個(gè)控制系統(tǒng)中重要的一部分，但是，直流電機(jī)還是需要控制裝置來實(shí)現(xiàn)。被設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖（如圖13）電機(jī)放大電路單片機(jī)PC微機(jī)反饋信號(hào)圖13 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖微機(jī)作為上位機(jī)，通過通用總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)作為控制裝置的核心部分，由它來具體執(zhí)行工作臺(tái)的精密微位移控制。單片機(jī)只要控制與PC之間的通信和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)24。通信模塊主要完成與上位機(jī)的通信，即接收上位機(jī)發(fā)出的位移信號(hào)和返回完成狀態(tài)信息，控制功率放大電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成工作臺(tái)的移動(dòng)。本設(shè)計(jì)控制裝置流程圖（如圖14）中斷路口保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)讀取位移信息N完成位移移動(dòng)Y返回狀態(tài)信息恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)退出中斷圖14 控制裝置流程圖第5章 測(cè)控電路總設(shè)計(jì)系統(tǒng)先由PC微機(jī)給定一個(gè)初始位移信號(hào)，初始信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)8051轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，電信號(hào)中可能有其他噪聲，垃圾信號(hào)的干擾，需要濾波電路去除不必要的信號(hào)，由于信號(hào)比較小，為了方便直流電機(jī)的讀取，在直流電機(jī)前添加放大電路，放大后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)的微位移移動(dòng)，因?yàn)槲灰频囊苿?dòng)，是工作臺(tái)上的光柵傳感器接受到光柵的變化，光柵傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，形成脈沖信號(hào)，一個(gè)脈沖為一個(gè)柵距，由于精度的要求，需要將此脈沖信號(hào)進(jìn)行400細(xì)分，達(dá)到更高的精度，脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波整流后一個(gè)5倍頻和4細(xì)分電路聯(lián)級(jí)的20細(xì)分電路，此時(shí)的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過一個(gè)D/A轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)再次通過20細(xì)分電路，達(dá)到400細(xì)分。細(xì)分后的信號(hào)有1個(gè)控制裝置流程圖，16位的計(jì)數(shù)器接受，計(jì)數(shù)器上顯示此時(shí)的位移量25。此時(shí)信號(hào)反饋回單片機(jī)，單片機(jī)將此時(shí)的位移量與初始位移進(jìn)行比較，將比較后的差值再次送入直流電機(jī)，進(jìn)行更進(jìn)一步的校正。直線電機(jī)放大電路濾波電路單片機(jī)PC微機(jī)產(chǎn)生位移產(chǎn)生位移計(jì)數(shù)器產(chǎn)生位移20細(xì)分電路20細(xì)分電路D/A轉(zhuǎn)換電路圖15 測(cè)控電路總設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，單片機(jī)起著不可或缺的作用，單片機(jī)需要接受并發(fā)送原始信號(hào)，還要控制計(jì)數(shù)器對(duì)位移信號(hào)的測(cè)量，測(cè)量后的信號(hào)再次經(jīng)過單片機(jī)，與初始信號(hào)進(jìn)行比較，比較后重新發(fā)送新的信號(hào)，矯正系統(tǒng)的產(chǎn)生誤差26。計(jì)數(shù)時(shí)，單片機(jī)程序原理如圖16所示：開始接收信號(hào)是否為一個(gè)完整脈沖YN計(jì)數(shù)器加1N計(jì)數(shù)器是否達(dá)到25000Y計(jì)數(shù)結(jié)束圖16 單片機(jī)程序原理第6章 總結(jié)隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展，為土木工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)提供了新的方法和手段，同時(shí)也不斷開拓出新的研究方向和新的課題。光纖光柵傳感器代表了一種全新的傳感技術(shù)，將使結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)與完全診斷成為可能，此技術(shù)逐漸向商品化發(fā)展，其較低成本高使用價(jià)值的特性將會(huì)帶來相對(duì)較高的經(jīng)濟(jì)效益。光纖Bragg光柵在橋梁、通訊、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航海、航天、礦業(yè)等領(lǐng)域都發(fā)揮重要作用，所以具有廣闊 的應(yīng)用前景。光纖Bragg光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就，有關(guān)其實(shí)用性方面的研究還需要進(jìn)一步深人。而對(duì)于如何檢測(cè)傳感光柵Bragg波長(zhǎng)的微小偏移，是光纖布拉格光柵傳感器實(shí)用化面臨的關(guān)鍵技術(shù)同時(shí)，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人們對(duì)高科技產(chǎn)品的需求越來越大，而此技術(shù)帶來的方便快捷將充分滿足消費(fèi)者的需求，從而占領(lǐng)越來越大的市場(chǎng)領(lǐng)域27。光纖光柵傳感器的應(yīng)用 是一個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，有著非常廣闊的商業(yè)發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1英哈特雷著. 賈惟義，秦小梅譯. 衍射光柵. 貴陽: 貴州人民出版社,1990. 32 Nahum Kipnis. 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