一种可弥补信号缺陷的细分方法

　　1　问题的提出

　　光栅传感器输出信号的幅值稳定性、波形、信号中心电平漂移程度及信号对比度等参数是传感器设计的主要指标,直接影响到测量系统信号处理部分(包 括细分电路)可靠性和整个系统的精度。由于这些参数涉及到光栅的加工、传感器结构的设计和调试等诸多因素,实际输出信号很难达到理论上的要求。因此,在设 法改进传感器制作技术的基础上,人们开始寻求通过后续信号处理部分来弥补传感器信号的缺陷。例如,可通过计算细分法消除幅值变化的影响;利用差分放大解决 信号对比度过小的问题;利用幅值分割细分法解决波形的非正弦波问题等。

　　这些方法一般只能消除某种缺陷,同时消除多种缺陷的方法尚在进一步研究之中。在诸多影响系统精度的因素当中,信号幅值稳定性和信号中心电平漂移的影响最大,尤其是信号中心电平漂移,可直接引起信号处理部分的计数误差,而且尚无有效的解决方法。

　　光栅传感器信号中心电平漂移的产生主要是由于光栅材料不均匀、电源不稳定、光栅表面不洁等因素引起,其表现形式为:在光栅的测量过程中,输出的 周期信号的中心电平值产生变化,见图1。测量系统的信号处理部分在收到传感器输出的信号时,总是通过计算信号的周期数来得到位移量,因计数点的位置总是位 于信号幅值的某一点(一般为信号理想中心点),当信号中心电平产生漂移时,不可避免地存在计数误差,见图2。

　　计数误差为:

　　h——信号中心电平漂移量

　　A——信号幅值

　　W——光栅栅距

　　由于光栅信号中心电平的漂移难以控制,且无规律性,因此产生的测量误差难以通过机构或传统的误差修正方法得以修正,针对信号中心电平漂移的这种 特点,在幅值分割细分法的基础上,我们应用计算机技术,通过对光栅输出信号进行跟踪,检测出信号中心电平的漂移量,然后由软件进行修正,以达到消除计数误 差的目的。

　　2　幅值分割细分法的原理

　　幅值分割细分法的原理是将光栅信号的一个周期按电平高低进行分割,不同电平对应不同位移量,这样当光栅信号通过不同参考电压的比较器时,就可以在一个周期内发出n个细分脉冲,从而实现n细分。

　　对于大细分数系统,由于采用了大量的比较器,幅值分割细分电路将变得很复杂,且其可靠性亦会降低。为此,我们采用了单片机和A/D技术,对传统电路进行了改进,其原理见图3。

　　由光栅传感器输出的两路相位差90°的正弦信号A、B,首先经运算放大器放大,然后由电压比较器整形成方波信号。两路方波信号经由异或门电路和 微分电路组成的判向电路和计数电路后,形成判向脉冲X和计数脉冲X′,计数脉冲X′是光栅信号的二倍频,相当于光栅每移动一个栅距计两次数。判向脉冲X用 于判断光栅移动方向,每当计数脉冲出现时,单片机外部中断响应,由中断服务子程序判断X脉冲的高低,X为“0”时,表示光栅反向移动;X为“1”时,表示 光栅正向移动,依此作为进行加判计数的依据。计数脉冲个数的和是以半个栅距为最小单位的测量值。