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光柵尺原理
光柵尺原理
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光柵：光柵是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)，能在特制的膠片上顯現(xiàn)不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立體世界，電影般的流暢動畫片段，匪夷所思的幻變效果。
 
　　光柵是一張由條狀透鏡組成的薄片，當(dāng)我們從鏡頭的一邊看過去，將看到在薄片另一面上的一條很細(xì)的線條上的圖像，而這條線的位置則由觀察角度來決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線條上的圖像，對應(yīng)于每個透鏡的寬度，分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上，當(dāng)我們從不同角度通過透鏡觀察，將看到不同的圖像。
 
　　光柵尺其實(shí)起到的作用是對刀具和工件的坐標(biāo)起一個檢測的作用,在數(shù)控機(jī)床中常用來觀察其是否走刀有誤差,以起到一個補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動的誤差的補(bǔ)償作用.其實(shí)就象人眼睛看到我切割偏沒偏的作用.然后可以給手起到一個是否要調(diào)整我是否要改變用力的標(biāo)準(zhǔn).
 
　　相當(dāng)于眼睛.
 
　　一、引言
 
　　目前在精密機(jī)加工和數(shù)控機(jī)庫中采用的精密位稱數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。
 
　　隨著電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器在位移測量系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，并逐步向智能化方向轉(zhuǎn)化。
 
　　圖2是利用光柵傳感器構(gòu)成的位移量自動測量系統(tǒng)原理示意圖。該系統(tǒng)采用光柵移動產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路以及單片機(jī)相結(jié)合來完成對位移量的自動測量，它具有判別光柵移動方向、預(yù)置初值、實(shí)現(xiàn)自動定位控制及過*報警、自檢和掉電保護(hù)以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計思想作以介紹。
 
　　二、電子細(xì)分與判向電路
 
　　光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量。目前高分辨率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，本系統(tǒng)采用了電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量，同量莫爾條紋又具有光學(xué)放大作用，其放大倍數(shù)為：
 
　　(1)
 
　　式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節(jié)距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad
 
　　在一個莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與羊向功能。本系統(tǒng)采用的光柵尺柵線為50線對/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計數(shù)脈沖，這在一般工業(yè)測控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此* 少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，我們采用了由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個滏電器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，* * 把它們整形為占空比為1：1的方波，經(jīng)由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細(xì)分判向電路輸入可逆計數(shù)器，* 后送入由8031組成的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。
 
　　三、單片機(jī)與接口電路
 
　　為實(shí)現(xiàn)可逆計數(shù)和提高測量速度，系統(tǒng)采用了193可逆計數(shù)器。假設(shè)工作平臺運(yùn)行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細(xì)分?jǐn)?shù)為N，則計數(shù)脈沖的頻率為：
 
　　(2)
 
　　若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對應(yīng)計數(shù)時間間隔為1，顯然對于8031單片機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)為2μs是不能勝任的。經(jīng)可逆計數(shù)器分頻后，可大大地提高測量速度。
 
　　由于193是4位二進(jìn)制輸出，為與單片機(jī)接口，把兩片193采用了* 聯(lián)的方式，這樣* 多可計255個脈沖，若再來脈沖，進(jìn)位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機(jī)T0、T1端計數(shù)，保證送到8031的信號不丟失。
 
　　本系統(tǒng)長度* 大可測幾米（由光柵實(shí)際長度決定），* 小分辨率為μm* ，需要7個顯示數(shù)據(jù)。正向運(yùn)行時不顯示符號，反向運(yùn)行時需顯示"-"號，所以連同符號位，共需8個顯示塊。為了符全人們應(yīng)用習(xí)慣，顯示塊選用共陰極LED。
 
　　為實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的智能化，設(shè)置了一個2×8方式鍵盤矩陣，其中包括0～9共10個數(shù)字鍵和6個功能鍵：L/A長度/角度轉(zhuǎn)稱功能鍵；+/-符號轉(zhuǎn)換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執(zhí)行鍵；ENT預(yù)置鍵CE（清零鍵）。鍵盤、顯示器與單片機(jī)之間通過一個接口芯片8155來連接。其中，8155的PA口設(shè)置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線；PB口設(shè)為輸出方式，作為8位LED的位選線；PC口設(shè)為輸入方式，作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺惰性，可產(chǎn)生8位顯示塊同時顯示現(xiàn)象。
 
　　由于從前置電路74LS54出來的脈沖經(jīng)過2片193分頻后，直接進(jìn)入8031的僅為大于255的"大"數(shù)，而小于255的"小"數(shù)是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內(nèi)部處理，這個I/O接口芯片是通過擴(kuò)展一片8255實(shí)現(xiàn)的。其中，8255PB口設(shè)為基本輸入方式，PB0-PB3作為1#193輸入，PB4～PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設(shè)為輸出，作為系統(tǒng)并行BCD碼輸出。由于8031單片機(jī)無內(nèi)ROM，應(yīng)外擴(kuò)展一片2732（4kEPROM）。只用PSEN片選，不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
 
　　四、軟件設(shè)計
 
　　根據(jù)硬件電路和系統(tǒng)功能要求，我們設(shè)計了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，必然會引起結(jié)構(gòu)尺寸改變導(dǎo)致光柵柵距的變化，帶來檢測誤差。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃時為檢測標(biāo)準(zhǔn)值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較測出溫度變化時帶來的位移誤差值，即時測出位移誤差一溫度特殊性性曲線，由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件編制簡潔，緊湊合理。
 
　　五、結(jié)論
 
　　根據(jù)上述硬件電路和軟件設(shè)計，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)的測精度可優(yōu)于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進(jìn)行長度、角度自動測量的智能儀表已形成系列產(chǎn)品，分辨率可從20μm到1μm，具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已順利 地應(yīng)用于機(jī)庫改造和相關(guān)的光電尺寸與位置檢測系統(tǒng)中。
聯(lián)系人:簡* 生 
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