基于光栅传感器的位移测量仪的研制

　　0　引　言

　　随着我国经济的发展,用于X-Y工作台的位移测量仪被广泛地应用在光学精密测量机器和微机械制造机器中,人们对这种测量仪的测量精度和系统扩展性提出了更高的要求[1-5]。目前,多数位移测量仪采用2个微处理器分别对坐标X和坐标Y的位移信息进行处理,并用软件技术进行计数[6-7]。这种方法的主要缺点在于不能对高速脉冲进行计数,从而产生漏计数现象,影响了测量精度[8]。此外,开发仪器时,需要对2个微处理器分别进行调试,然后联合调试,使研制过程繁琐且不易于日后扩展。鉴于这种情况设计了基于光栅传感器的位移测量仪,它通过对2个光栅传感器输出的信号分别进行20细分,然后对细分后的信号分别进行辨向和计数,再由一个微处理器对辨向信号和计数信号进行处理,得到X-Y工作台在坐标X和坐标Y方向的位移测量值,最后根据误差修正算法对位移测量值进行修正,从而提高了测量仪的测量精度、简化了研制过程。

　　1　测量原理和结构

　　1·1　光栅传感器

　　光栅传感器主要由标尺光栅和光栅读数头构成。其中,光栅读数头由LED光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅传感器的光学测量系统采用透射式红外测量方式,光源发出的光束的波长为880 nm,该光束经过透镜准直后垂直照射在光栅尺上形成莫尔条纹,然后在4个光敏元件上成像并转换成与之成比例的正弦电压信号,最后通过驱动电路对元件输出的信号进行功率和幅值放大。基于以上原理,实验中的光栅传感器使用了2个线位移光栅传感器A和B,它们各有一个绝对零位标识,分别提供X-Y工作台的坐标X和坐标Y的绝对位移信息[9]。

　　1·2　系统结构

　　基于光栅传感器的位移测量仪是由光栅传感器、硬件电路、微处理器系统、LED显示器组成。图2所示是该位移测量仪的系统结构图。

　　实验中,栅距为0·02 mm的光栅传感器由X-Y工作台中的精密导轨系统承载驱动。测量时,光栅传感器输出相位依次相差90°的4路正弦波信号,它们通过硬件电路进行滤波整形、细分,然后经过辨向和计数,由硬件电路将反映X-Y工作台位移的计数值暂时存放在缓存器中,等待微处理器进行采集。微处理器经过数据总线采集缓存器中的计数值并送入内存,进行计算和处理,按误差修正算法对计数值进行修正,然后将修正后的位移数据存储在SRAM存储器中,同时送LED显示器进行显示。此外,微处理器还将位移数据发送给计算机,计算机接收到微处理器发送的数据后,可利用AUTOCAD进行绘图等工作。

　　1·3　硬件电路的设计