检测与转换技术技术课程设计--光栅位移传感器

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1、检测与转换技术课程设计-----光栅位移传感器19摘要提出了一种基于89C2051单片机开发的光栅位移传感器对线性位移进行测量的方法。其硬件设计包括数据采集、辨向、数据处理和数据显示。把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器8253计数，利用89C2051单片机进行信号处理，最终转换成实际的线性位移值显示出来。与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技

2、术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量［。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。关键词：位移、计量光栅、莫尔条纹、辨向、细分、加/减计数器、89C2051单片机、光栅位移传感器光栅19目录1概述32总体方案设计32.1设计目的32.2设计方案及系统框图32.3光栅位移传感器的原理43各部分电路设计53.1数字滤波电路53.2辨向、细分与四倍频电路原理63.2.1辨向原理63.2.2细分技术63.2.3四倍频电路设计原理

3、73.3辨向与细分电路设计93.3.1传统模拟细分电路93.3.2基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计103.3.3CPLD芯片的选择113.3.4四细分与辨向电路113.3.5四倍频细分电路模块的仿真123.4计数电路133.5译码驱动和显示电路144总体电路设计155总结与体会166参考文献167附录177.1、电路特点177.2、各脚功能详解17191概述位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来

4、检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。2总体方案设计2.1设计目的通过课程设计，使我们在实践环节中进一步理解和熟悉自动检测仪表的原理、组成和调试。熟悉光栅传感器的原理，掌握常用的光栅传感器的使用方法。掌握常用芯片的使用方法，熟悉四倍频电路光栅传感器与单片机的接口方法。并培养动手能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相

5、关参数，整理总结设计报告。2.2设计方案及系统框图光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。本系统中使用的光

6、栅传感器输出的是4路相位差为90°的正弦信号，因此需要对传感器的输出信号进行整形处理。本设计中采用了由运放LM393构成的差分放大器，将光栅传感器输出的4路信号分别送入2个差分放大器的输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为90°，整个系统框图如图2.2.1所示。将差分后的信号进行整形得到2路方波信号，得到的方波信号不能直接送入计数器中，在本设计中由EPM7128S完成4细分、辨向、计数的功能，在QuartusⅡ5.1中采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统192.3光栅位移传感器的原理计量光栅是利用光栅的莫

7、尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每

8、毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定