P R R P 年Q P 月
传感技术学报
第~期
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精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究
陈仁文>袁红卫
南京航空航天大学航空宇航学院>南京D
P Q R R Q S W
x
摘要Y 光栅传感器是一类精密传感器>在直线位移或角位移的测量中有广泛的应用y 但在工业应用中>除各种电磁干扰外>还有微小机械振动产生的干扰以及温度误差等>使测量精度大大下降y 本文提出了在后续处理电路和信号处理方法上解决这一问题>提高传感器精度z 分辨率和抗干扰能力的综合方法>如分频z 温度补偿z 定时器飞读和计数脉冲确认机制等y 在实际使用中发现>应用这些方法的测量系统的稳定性z 抗干扰能力和精度等指标都得到提高y
关键词Y 光栅Y 位移传感器w 信号处理w 干扰中图分类号Y P Q P {|
文献标识码Y }
文章编号Y Q R R ~! Q S " " D P R R P W R ~! R #S R ! R ~
莫尔条纹的宽度远大于光栅栅格的宽度>因而>莫尔
Q 引
言
P %
条纹实际上起到了光学放大作用$y 其放大倍数为
光栅位移传感器D 包括直线位移和角位移W 是一
Q >P %
类广泛使用的精密测量器件$y 它有测量范围宽>
测量分辨率高>测量精度高等特点y
光栅传感器主要由标尺光栅z 指示光栅和光电器件D 发光和光敏器件W 组成y 当两块光栅以微小夹角重叠时>会发生干涉>在与光栅刻线大致垂直的方向上形成亮暗相间的干涉条纹>即所谓莫尔条纹y 随着两光栅的相对移动>条纹也发生移动>在固定的光敏器件上就会有光的亮暗变化>对亮暗变化周期进行计数>按照一定的对应关系>即可计算出两光栅的相对位移y 这就是光栅测量位移的基本原理y 一般>
x
来稿日期Y P R R P p R 1p R "
’+D Q W ) a ^_**
其中>为(为莫尔条纹的间距>) 为光栅栅格宽度>*
单位为弧度y 然而>放大只是测量两光栅刻线夹角>
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的需要>不必精确获得它的大小>而光栅栅格宽度才是直接影响测量分辨率和精度的重要因素y 对于不同的光栅尺>其测量的分辨率z 精度以及量程都不一样y 光栅尺的刻线密度一般有, R 线m m z Q R R 线m m
等>其位移测量的分辨率分别为P R -R -m 和Q m y
为了在测量位移时判定方向>需要布置两个光敏管>它们相距Q 这样两光敏管的输. ~个莫尔条纹>
出信号}相和/相在输出波形上就存在" 的相位R 0
第K 期陈仁文’袁红卫D
精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究854
差! 若" 相超前#相$定义为位移的正方向’则" %&
滞后#时为其相反方向! 在硬件电路上非常容易$%&实现位移的判向’如分别接" (#于) 触发器的) 端和*其输出-就代表了位移的方向! 对于逆+, 端’计数器’可分别接" (#于其) . /端和*+, 端即可! 有的微控制器如. 公司45位单片机6%4$5系0123*
89
列上直接集成有可逆计数器7则使用起来更加方’便! 在采用:*虽然
也可以通过在对" >=4本身没有可逆计数器’:*; A B 8温度对测量精度的影响及补偿
由于热胀冷缩的作用’光栅刻线的间距会随温度而变化’这势必影响了测量的精度! 在温度变化较大而对精度的要求又比较高的场合’必须对温度进行补偿! 对于数字式传感器’对温度的补偿相对来讲’要简单一些! 对于相同的材料和相同的结构形式’其温度引起形变的特性是相同的! 因此原则上测量某一光栅传感器的温度特性可以用于相同类型传感器的温度的补偿! 补偿的步骤是’设定环境温度在计数时? 中断或查询方式下@判断#信号电平的高低
来实现! 一般来讲’光栅传感器的分辨率是固定的’但通过某些办法可以提高传感器的精度和分辨率!
A 提高测量分辨率及精度的措施
A B 4简单二分频提高分辨率
光栅传感器的输出信号分为两种’一种为方波’一种为近似正弦波! 对于方波’其输出的" (#两相信号相位差为$%&’如图4所示! 从图中不难发现’只要将" (#两信号进行异或运算’即可将原信号的频率提高二倍! 这就意味着’只增加一简单异或电路的情况下可使测量的分辨率提高一倍!
图4二分频原理
A B A 专用分频电路提高分辨率
利用锁相环’可以使" 或#相信号得到更高的分频’从而进一步提高测量的分辨率! 但是’要使锁相环能够正常工作’必须使原始信号有一定的频率! 所以’采用锁相环进行分频不适合于静态或准静态的信号! 在具有一定移动速度的测量中可以使用这万方数据种分频方法!
A %C 时光栅的输出为没有温度误差的标准输出’
在A %C 附近选择一系列等间隔温度点’经过若干温度的正(反行程’在这些温度点上测出栅尺的总体形变值’得出温度>形变相关数据! 利用这些数据进行特性曲线的拟合’利用拟合的曲线即可进行对温度误差的修正! 拟合的曲线一般为多项式’这里选择二阶或三阶就足够了! 多项式的形式为D
E F G %H G 4I H G A I A H G 8
I 8
? A @式中’E 为光栅尺的形变’I 为温度’G %’G 4等为待定系
数! 拟合方法采用最小二乘法! 求得的拟合多项式即表示了温度与光栅形变近似关系! 在单片机中进行补偿时有两种办法’一是将曲线的系数存于非易失性存储器中’修正时直接计算以上多项式! 另一种是’将以上曲线做成表格’存于非易失性存储器中’
利用单片机进行补偿时’查表并插值! 前者需要的存储单元少’但计算量大! 采用汇编语言编程时’比较复杂! 后者需要存储单元多’但计算量相对较少’编程较易!
8提高系统抗干扰能力
光栅传感器在具有振动的环境下进行测量时’
经常遇到干扰! 在" 相或#相的边缘处’即在电平跳变处’由于微小的振动’会在边缘处出现无数的小尖峰’使计数器误触发’影响了计数精度! 例如’在微机控制的材料拉压试验机中’要进行位移的测量’但是’由于试验机夹头的运动是用电机驱动’在负载
大’夹头移动速度慢的情况下’电机运行不平稳’产生振动’干扰了对位移的测量! 严重时产生的误差’
使系统根本无法运行! 为此’采用以下方法!
8B 4定时J
计数器的飞读在有些45位的微控制器如. 0123公司的6%*4$5系列’其定时J 计数器可以飞读’即在不停止计数的情况下读取计数值’该计数值可以用一条简单的指令来完成! 但对于6%*
=4等微控制器’事情并不那么
传感技术学报
4&&4年
简单! 对其计数值进行读出时" 需要分两次" 先读高位字节" 再读低位字节! 如果在两次读数之间发生定时#计数器的中断" 并且计数器的低$位翻转%由变为&时" 读出的值实际上是错误&&&或相反) ’((’的! 要解决这一问题有一种途径" 就是在读数时关闭定时#计数器的中断" 但在关闭中断后进行读数时" 如出现计数脉冲" 系统不响应中断" 就会漏掉一个计数脉冲! 本文巧妙地利用软件来实现定时#计数器的
01
飞读! 例如" 计数器/实$&+, 的-&为, . 位定时#" *
的计数值读入变量6中" 9$9, $78678:; 和678; 分别
为6的高$位和低$位! 采用以上方式读取计数值78时" 既不会出现误读的现象!
这是一种微控制器系统中常采用的抗干扰方法! 在光栅传感器中" 利用这方法来确定电平的跳变! 在一定时间内对输入信号进行连续三次采样%很小间隔) 如有两次以上采样为高电平" 则判定此时" 输入信号为=相反则判别为=这样可以大大减, >" &>! 际上由两个$位的寄存器组成" 分别是低$位-2
&和高$位的-3&! 在读数时" 上述两寄存器必须分别读取" 当加法计数且-2&当前值为&’((
或减法计数且-2&值为&’&&时" 再来一个脉冲" 低$位就要翻转! 不妨假设计数器当前值为&’&, ((
" 工作在加法计数方式! 在读完高$位&’&, 后" 正准备读低$位&’((
时出现定时中断" 中断返回后计数值将变为&’&4&&" 此时读取的低$位实际值为&’&&" 则所读取的计数值组合后变为&’
&, &&" 显然会出现4++个计数值的偏差! 但" 如此时再一次读取高位寄存器的值" 并对两次读数进行比较" 便可确定真实的计数值! 其流程图如图4所示" 该程序将-&5-3&" -2
&万方数据
图4定时#计数器飞读流程
少高频毛刺的干扰!
有些系统" 特别是闭环控制的电机传动系统" 本身会产生较大的振动" 这在低速度大负载情况下表现尤为突出! 这些小幅振动容易在信号的跳变处出现高? 低电平的反复跳变! 被振动干扰的@? A 两相的波形如图
A 相的计数进行控制"
用以屏蔽干扰产生的计数脉冲! 设该标志位为A B C D " 每经过一个@相的负跳变" 置位A B C D " 即令A B C D 5-E F G " 而每进行一次计数就复位A B C D " 即令A B C D 5H @2I G " 并且只有当A B C D
5-E F G 时" 才允许计数! 对于图
" 预测A 相的下一下跳沿的到来" 当A 相经过一个负跳变后即经过一次计数后" A B C D 被复位" 计数被禁止" 即使此时有多个脉冲出现" 也不会进行计数! 这样" 避免了对干扰脉冲的计数!
图
第! 期陈仁文" 袁红卫0精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究-3-
! 结
论
#%&仪表技术与传感器" ) **’+’) ,’-(
余海波&光栅传感器中光电信号转换和处理电#) %雷孔成"
路的改进#%&制造技术与机床&)**’+. $/0’1,’2(
将以上方法用于几个光栅位移的测试系统中"
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如弹簧试验机和小型台式拉压试验机#等测控系统
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陶宝祺&轻便型材料拉压试验机的设计#实#$%陈仁文" %&(
验室研究与探索&’221年第’期&
中" 表现出很好的抗干扰性能" 系统精度也得到提高" 证明了其有效性&
参考文献
#’%梁长裉&光栅传感器在位移自动测量系统中的应用
作者简介
网络化测试等研究&
陈仁文. 男" 博士" 副教授" 现在南京航空航天大学航空宇航学院任教" 主要从事传感器" 智能测控系统" 虚拟仪器J ’2334/
万方数据
精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈仁文， 袁红卫
南京航空航天大学航空宇航学院,南京,210016传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2002,15(4)4次
1. 梁长裉 光栅传感器在位移自动测量系统中的应用[期刊论文]-仪表技术与传感器 2001(03)
2. 雷孔成. 余海波 光栅传感器中光电信号转换和处理电路的改进[期刊论文]-制造技术与机床 2001(05)3. 16-Bit Embedded Micro controllers 19904. Embedded Applications 1991
5. 陈仁文. 陶宝祺 轻便型材料拉压试验机的设计 1998(01)
1. 陈小强. 刘京诚 交流接触网导线带电磨耗检测仪[期刊论文]-重庆大学学报（自然科学版） 2009(8)2. 贾宏进. 胡浩军. 秦石乔. 张宝东. 胡春生 光栅编码器在激光陀螺平台系统中的应用[期刊论文]-光电工程2008(10)
3. 李国平. 路长厚. 李健美. 李学勇 阴影莫尔法中光栅传感器的研究[期刊论文]-传感技术学报 2007(3)4. 陈亮 万能齿轮测量机测量控制模块研制[学位论文]硕士 2005
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgjsxb200204020.aspx
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精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究
陈仁文>袁红卫
南京航空航天大学航空宇航学院>南京D
P Q R R Q S W
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摘要Y 光栅传感器是一类精密传感器>在直线位移或角位移的测量中有广泛的应用y 但在工业应用中>除各种电磁干扰外>还有微小机械振动产生的干扰以及温度误差等>使测量精度大大下降y 本文提出了在后续处理电路和信号处理方法上解决这一问题>提高传感器精度z 分辨率和抗干扰能力的综合方法>如分频z 温度补偿z 定时器飞读和计数脉冲确认机制等y 在实际使用中发现>应用这些方法的测量系统的稳定性z 抗干扰能力和精度等指标都得到提高y
关键词Y 光栅Y 位移传感器w 信号处理w 干扰中图分类号Y P Q P {|
文献标识码Y }
文章编号Y Q R R ~! Q S " " D P R R P W R ~! R #S R ! R ~
莫尔条纹的宽度远大于光栅栅格的宽度>因而>莫尔
Q 引
言
P %
条纹实际上起到了光学放大作用$y 其放大倍数为
光栅位移传感器D 包括直线位移和角位移W 是一
Q >P %
类广泛使用的精密测量器件$y 它有测量范围宽>
测量分辨率高>测量精度高等特点y
光栅传感器主要由标尺光栅z 指示光栅和光电器件D 发光和光敏器件W 组成y 当两块光栅以微小夹角重叠时>会发生干涉>在与光栅刻线大致垂直的方向上形成亮暗相间的干涉条纹>即所谓莫尔条纹y 随着两光栅的相对移动>条纹也发生移动>在固定的光敏器件上就会有光的亮暗变化>对亮暗变化周期进行计数>按照一定的对应关系>即可计算出两光栅的相对位移y 这就是光栅测量位移的基本原理y 一般>
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来稿日期Y P R R P p R 1p R "
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其中>为(为莫尔条纹的间距>) 为光栅栅格宽度>*
单位为弧度y 然而>放大只是测量两光栅刻线夹角>
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为了在测量位移时判定方向>需要布置两个光敏管>它们相距Q 这样两光敏管的输. ~个莫尔条纹>
出信号}相和/相在输出波形上就存在" 的相位R 0
第K 期陈仁文’袁红卫D
精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究854
差! 若" 相超前#相$定义为位移的正方向’则" %&
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89
列上直接集成有可逆计数器7则使用起来更加方’便! 在采用:*虽然
也可以通过在对" >=4本身没有可逆计数器’:*; A B 8温度对测量精度的影响及补偿
由于热胀冷缩的作用’光栅刻线的间距会随温度而变化’这势必影响了测量的精度! 在温度变化较大而对精度的要求又比较高的场合’必须对温度进行补偿! 对于数字式传感器’对温度的补偿相对来讲’要简单一些! 对于相同的材料和相同的结构形式’其温度引起形变的特性是相同的! 因此原则上测量某一光栅传感器的温度特性可以用于相同类型传感器的温度的补偿! 补偿的步骤是’设定环境温度在计数时? 中断或查询方式下@判断#信号电平的高低
来实现! 一般来讲’光栅传感器的分辨率是固定的’但通过某些办法可以提高传感器的精度和分辨率!
A 提高测量分辨率及精度的措施
A B 4简单二分频提高分辨率
光栅传感器的输出信号分为两种’一种为方波’一种为近似正弦波! 对于方波’其输出的" (#两相信号相位差为$%&’如图4所示! 从图中不难发现’只要将" (#两信号进行异或运算’即可将原信号的频率提高二倍! 这就意味着’只增加一简单异或电路的情况下可使测量的分辨率提高一倍!
图4二分频原理
A B A 专用分频电路提高分辨率
利用锁相环’可以使" 或#相信号得到更高的分频’从而进一步提高测量的分辨率! 但是’要使锁相环能够正常工作’必须使原始信号有一定的频率! 所以’采用锁相环进行分频不适合于静态或准静态的信号! 在具有一定移动速度的测量中可以使用这万方数据种分频方法!
A %C 时光栅的输出为没有温度误差的标准输出’
在A %C 附近选择一系列等间隔温度点’经过若干温度的正(反行程’在这些温度点上测出栅尺的总体形变值’得出温度>形变相关数据! 利用这些数据进行特性曲线的拟合’利用拟合的曲线即可进行对温度误差的修正! 拟合的曲线一般为多项式’这里选择二阶或三阶就足够了! 多项式的形式为D
E F G %H G 4I H G A I A H G 8
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? A @式中’E 为光栅尺的形变’I 为温度’G %’G 4等为待定系
数! 拟合方法采用最小二乘法! 求得的拟合多项式即表示了温度与光栅形变近似关系! 在单片机中进行补偿时有两种办法’一是将曲线的系数存于非易失性存储器中’修正时直接计算以上多项式! 另一种是’将以上曲线做成表格’存于非易失性存储器中’
利用单片机进行补偿时’查表并插值! 前者需要的存储单元少’但计算量大! 采用汇编语言编程时’比较复杂! 后者需要存储单元多’但计算量相对较少’编程较易!
8提高系统抗干扰能力
光栅传感器在具有振动的环境下进行测量时’
经常遇到干扰! 在" 相或#相的边缘处’即在电平跳变处’由于微小的振动’会在边缘处出现无数的小尖峰’使计数器误触发’影响了计数精度! 例如’在微机控制的材料拉压试验机中’要进行位移的测量’但是’由于试验机夹头的运动是用电机驱动’在负载
大’夹头移动速度慢的情况下’电机运行不平稳’产生振动’干扰了对位移的测量! 严重时产生的误差’
使系统根本无法运行! 为此’采用以下方法!
8B 4定时J
计数器的飞读在有些45位的微控制器如. 0123公司的6%*4$5系列’其定时J 计数器可以飞读’即在不停止计数的情况下读取计数值’该计数值可以用一条简单的指令来完成! 但对于6%*
=4等微控制器’事情并不那么
传感技术学报
4&&4年
简单! 对其计数值进行读出时" 需要分两次" 先读高位字节" 再读低位字节! 如果在两次读数之间发生定时#计数器的中断" 并且计数器的低$位翻转%由变为&时" 读出的值实际上是错误&&&或相反) ’((’的! 要解决这一问题有一种途径" 就是在读数时关闭定时#计数器的中断" 但在关闭中断后进行读数时" 如出现计数脉冲" 系统不响应中断" 就会漏掉一个计数脉冲! 本文巧妙地利用软件来实现定时#计数器的
01
飞读! 例如" 计数器/实$&+, 的-&为, . 位定时#" *
的计数值读入变量6中" 9$9, $78678:; 和678; 分别
为6的高$位和低$位! 采用以上方式读取计数值78时" 既不会出现误读的现象!
这是一种微控制器系统中常采用的抗干扰方法! 在光栅传感器中" 利用这方法来确定电平的跳变! 在一定时间内对输入信号进行连续三次采样%很小间隔) 如有两次以上采样为高电平" 则判定此时" 输入信号为=相反则判别为=这样可以大大减, >" &>! 际上由两个$位的寄存器组成" 分别是低$位-2
&和高$位的-3&! 在读数时" 上述两寄存器必须分别读取" 当加法计数且-2&当前值为&’((
或减法计数且-2&值为&’&&时" 再来一个脉冲" 低$位就要翻转! 不妨假设计数器当前值为&’&, ((
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时出现定时中断" 中断返回后计数值将变为&’&4&&" 此时读取的低$位实际值为&’&&" 则所读取的计数值组合后变为&’
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&万方数据
图4定时#计数器飞读流程
少高频毛刺的干扰!
有些系统" 特别是闭环控制的电机传动系统" 本身会产生较大的振动" 这在低速度大负载情况下表现尤为突出! 这些小幅振动容易在信号的跳变处出现高? 低电平的反复跳变! 被振动干扰的@? A 两相的波形如图
A 相的计数进行控制"
用以屏蔽干扰产生的计数脉冲! 设该标志位为A B C D " 每经过一个@相的负跳变" 置位A B C D " 即令A B C D 5-E F G " 而每进行一次计数就复位A B C D " 即令A B C D 5H @2I G " 并且只有当A B C D
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" 预测A 相的下一下跳沿的到来" 当A 相经过一个负跳变后即经过一次计数后" A B C D 被复位" 计数被禁止" 即使此时有多个脉冲出现" 也不会进行计数! 这样" 避免了对干扰脉冲的计数!
图
第! 期陈仁文" 袁红卫0精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究-3-
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论
#%&仪表技术与传感器" ) **’+’) ,’-(
余海波&光栅传感器中光电信号转换和处理电#) %雷孔成"
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将以上方法用于几个光栅位移的测试系统中"
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如弹簧试验机和小型台式拉压试验机#等测控系统
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陶宝祺&轻便型材料拉压试验机的设计#实#$%陈仁文" %&(
验室研究与探索&’221年第’期&
中" 表现出很好的抗干扰性能" 系统精度也得到提高" 证明了其有效性&
参考文献
#’%梁长裉&光栅传感器在位移自动测量系统中的应用
作者简介
网络化测试等研究&
陈仁文. 男" 博士" 副教授" 现在南京航空航天大学航空宇航学院任教" 主要从事传感器" 智能测控系统" 虚拟仪器J ’2334/
万方数据
精密光栅位移传感器的若干信号处理问题研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈仁文， 袁红卫
南京航空航天大学航空宇航学院,南京,210016传感技术学报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS2002,15(4)4次
1. 梁长裉 光栅传感器在位移自动测量系统中的应用[期刊论文]-仪表技术与传感器 2001(03)
2. 雷孔成. 余海波 光栅传感器中光电信号转换和处理电路的改进[期刊论文]-制造技术与机床 2001(05)3. 16-Bit Embedded Micro controllers 19904. Embedded Applications 1991
5. 陈仁文. 陶宝祺 轻便型材料拉压试验机的设计 1998(01)
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