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作者:王 兴,贾晓虎,郝春丽 发布时间:2012-06-12 来源: 繁体版
摘要:为了实现对位移测量的需求,提出了一种基于增量式光电编码器的位移传感器的设计方案,并完成系统的软硬件设计。传感器硬件部分主要包括增量式光电编码器、信号的传输处理和测量结果的显示。软件部分采用汇编语言设计

摘要:为了实现对位移测量的需求,提出了一种基于增量式光电编码器的位移传感器的设计方案,并完成系统的软硬件设计。传感器硬件部分主要包括增量式光电编码器、信号的传输处理和测量结果的显示。软件部分采用汇编语言设计,实时解算测量结果并驱动显示屏显示。实际应用表明,该系统具有操作简便、测试准确的特点,达到了设计要求。qVZ自动化在线网
关键词:增量式光电编码器;测量;信息处理;位移传感器qVZ自动化在线网
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    传统的拉线式位移传感器大多采用电位器式位移传感器,它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是,为实现测量位移目的而设计的电位器,要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连,物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值,阻值的增加与减小则表明了位移的方向。通常在电位器上给定电源电压,把电阻变化转换为电压输出。由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯变化,其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件的时,则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。同时,电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差,从而导致测量精度下降。qVZ自动化在线网
    本项目基于增量式光电编码器原理研制的数字显示式拉线式位移传感器,一方面对目前拉线式位移传感的改进和完善,其动态范围大,具有温度修正功能,最大量程大,测量精度高。仪器成本低廉,安装、调试与定标方便,系统运行功耗低,抗干扰能力强,适用于野外长时间自动监测。一方面与传统拉线式位移传感器相比,不仅具有数字显示功能,良好的人机交互界面,而且可以与计算机实现交互,具有远程控制的优点。qVZ自动化在线网
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1 增量式光电编码器简介qVZ自动化在线网
    编码器广泛用于位置和角度的测量,可分为绝对式编码器与增量式编码器。绝对式编码器其特点是输出信号与旋转位置一一对应,但其精度不高,而且成本较高。而增量式编码器其输出信号为脉冲信号,其脉冲个数与相对旋转位移有关,而与旋转的绝对位置无关,其精度较高,而且其成本相对较低。如果预先设定一个基准位置,则可以利用增量式编码器实现绝对式编码器的功能,也即可以测出旋转的绝对位置。qVZ自动化在线网
    增量式编码起按其输出可分为差分式和非差分式,他们的输出信号均为脉冲信号,非差分信号输出一般有AB两相脉冲信号,其高电平接近编码起的工作电压。而差分式信号输出A相、A非相、B相、B非相,其高电平只有编码起工作电压的一半,不管差分还是非差分的编码器,A相和B相信号波形完全相同,仅存在90度的相差。qVZ自动化在线网
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2 位移传感器结构qVZ自动化在线网
    位移传感器采用铝合金结构设计,具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、测量范围修改灵活、仪器成本低廉、安装、调试与定标方便等特点。同时具有良好的人机交互界面,使用直观方便。外观结构图见图1。qVZ自动化在线网

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3 位移传感器设计qVZ自动化在线网
    感器硬件主要由光栅编码电路、信号处理电路、单片机和显示屏等组成,系统硬件原理框图结构图如图2所示。光栅编码电路主要将外部的位移转化为数字脉冲信号;功放电路信号处理电路主要将脉冲信号进行滤波整形放大;单片机组要完成信号的采集,同时将计算数字脉冲对应的实际位移;显示屏组要完成测试数据的实时显示。qVZ自动化在线网

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    位移传感器正常工作时,外部线形位移通过光栅信号编码器转化为数字脉冲信号,传感器调整电路将接收此脉冲信号,经过阻抗匹配和信号驱动放大,然后送往信息处理电路,通过计算脉冲个数将外部线形位移换算成对应的数字量保存在动态RAM中,最后信息处理电路将驱动液晶显示屏将RAM中的数据显示在屏中。qVZ自动化在线网
3.1 光栅信号编码器qVZ自动化在线网
    光电式拉线位移传感器的结构主要由调制盘、红外线发光二极管(SFH485,发散角为40°)和红外接收二极管组成。仪器通过一钢丝拉线与待测位移物体相连,拉线采用线膨胀系数小、化学性能稳定的铟钢丝。当待测物体相对于光栅信号编码器的固定轴发生位置变化时,则位移量由拉线传动到光栅信号编码器上,调制盘的边缘均匀分布着透光孔,红外线发光二极管和接收管分别安置在调制盘的上下两边。用恒压源给红外线发光二极管供电,当调制盘转动时,发光二极管发出的光线将周期性的被遮挡,接收二极管上将出现周期的脉冲电压信号,每一个电压峰值即表示一个透光孔扫过接收二极管。将信号滤波、放大与整形后输出。qVZ自动化在线网
    设机械放大倍数为n,物体运动的位移量为△x,两相邻透光孔中心相距的弧长为L,则信号输出端的脉冲个数N可由下式表出:N=△x·n /L,记下脉冲的个数即可计算出位移变化量了。


基于增量式光电编码器位移传感器研究
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