毕业论文-基于AT89C51双光栅干涉表面轮廓测量传感器设计15676.doc
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1、I 双光栅干涉表面轮廓测量传感器 摘 要 随着现代制造朝着高精密方向发展,满足一般实验和生产条件下的低成本、 方便实用的高精密位移计量测试手段和测量传感器面临紧迫的需求。 本文中介绍了一种低成本、高精度的接触式微位移传感器。该装置由半导体 激光器、双光栅干涉单元、干涉条纹光电接收与信号处理电路、计数细分与位移 数显单元等组成。 首先,文中讲到了光栅干涉单元的选用,传感器所用激光器的介绍及由日本 滨松公司生产的型号为 S6695-01 的四象限光电探测器介绍。紧接着讲述了由信号 前置放大所得两路正交信号滤波、消除直流偏置和差分放大,及整形为方波信号的 各部分电路的具体设计及 GAL16V8 进行
2、四倍频细分和辨向处理,最后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹计数,并用共阴极七段数码管显示出计数值的具体 电路设计及计量位移程序设计,并画出了相应的电气原理图和 PCB 板图。 在各部分分完成之后进行程序的软件模拟调试及全文总结。 关键词:双光栅干涉,高精度,四象限光电探测器,四倍频细分 II DOUBLE GRATING INTERFEROMETER SENSOR FOR SURFACE PROFILE MEASUREMENT ABSTRACT With the development of modern manufacturing, high precision measuring
3、and displacement sensor is used more urgently which is low-cost and convenient in normal experiment and production conditions. This paper introduces a low-cost, high-precision micro-displacement sensor contacts. The sensor is made up of semiconductor laser, double grating interference cell, photoele
4、ctric receiver, the signal processing circuit and so on. Firstly, this paper specifically introduces double grating interferometer units, the laser used in sensor and the four-quadrant optoelectronic detector produced by the Japanese company Hamamatsu model S6695-01. Secondly,I explain the specific
5、design of each part of the circuit,including, the signal filtering about the two orthogonal signal from preamplifier circuit, eliminating DC bias and differential amplification, shaping for the square wave signal, using GAL16V8 for four sub- frequency and identifying the direction, sending the squar
6、e wave signal to the MCU AT89C51 to count, and using the common cathode seven segment LED to display the count. At last I need to write the program of measuring displacement and draw electrical schematics and PCB boards. Software simulation test of the programs and summary of full paper are carried
7、out after the completion of each part of the design. KEY WORDS: Double grating interference,High-precision,Four-quadrant optoelectronic detector,Fourth harmonic subdivision III 目 录 前 言.1 第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理.2 1.1 微位移传感器概况及本课题研究内容.2 1.1.1 微位移传感器发展概况.2 1.1.2 本课题研究内容.2 1.2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构.3 1.2
8、.1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器原理.4 第 2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计.5 2.1 双光栅光学系统简介.5 2.1.1 光栅光学系统定义.5 2.1.2 光栅光学系统应具有的一般性能.5 2.1.3 光栅光学系统组成.5 2.2 双光栅光学系统设计.5 2.2.1 激光器的选择.5 2.2.2 双光栅干涉单元.6 2.2.3 光电接收单元.6 第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计.7 3.1 传感器光电信号处理的设计.7 3.1.1 传感器光电信号处理综述.7 3.1.2 四象限光电探测器前置放大电路设计.7 3.1.3 两路信号消除直流偏置和信号放大
9、的电路设计.8 3.1.4 整形电路的简单设计.9 3.1.5 干涉条纹信号的辨向和硬件细分.10 3.1.6 干涉条纹信号的计数.11 3.1.7 LED 显示驱动电路设计 .12 3.2 电路设计中的芯片简介.13 3.2.1 LM324 芯片.13 3.2.2 LM339 芯片.14 IV 3.2.3 编程逻辑器件芯片 GAL16V8.15 第 4 章 程序设计.18 4.1 GAL16V8 的变向与细分程序的设计18 4.1.1 程序设计.18 4.2 该系统的位移计量及显示程序设计.19 4.2.1 程序流程图的设计.19 4.3 位移计量显示程序的调试21 结 论.24 谢 辞.2
10、5 参考文献.26 附 录.27 1 前 言 表面计量技术是近年来国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要研究方向。 基于迈克尔逊干涉原理的位移传感器 ,测量受空气成分、压强、湿度的影响,使用 时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿。其测量精度取决于稳频的 精度和环境条件,使用起来十分不便。 对此文中提出了一种基于光栅干涉原理的新型微位移传感器。该传感器具有 使用方便、计量精度高、抗干扰性强等特点。本课题是基于“能够解决实际工程 问题”的指导思想,并结合三年来所学机电知识及国内外文献和王淑珍老师的指 导,来完成该传感器的设计。 该课题能够很好的把自己三年来所学机械设计理论、自动控制理论及
11、机电一 体化技术三者融合,以此来锻炼自己能够解决简单的实际工程问题的能力同时也 可以为将来走向工作岗位时能够承担关于机电设计的工作打下基础。 在该课题设计中我的主要目标就是掌握双光栅干涉轮廓测量传感器的工作原 理,设计传感器基本控制电路和传感器的位移计量显示电路,并画出相应的电气 原理图和 PCB 板图,位移计量程序及程序的软件模拟调试。 2 第 1 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器工作原理 1.1 微位移传感器概况及本课题研究内容 1.1.1 微位移传感器发展概况 传感器产业是国内外公认的具有发展前途的高技术产业,它以其技术含量高、 经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。那些高
12、精度、快响应、 高可靠性、宽温度范围、微型化、微功耗及无源化、智能化、集成化、网络化的 传感器将成为未来市场中的新星。 传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子 产品、消费电子产品和专用设备等。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的 是汽车市场的需求,占第二位的是过程控制市场,前景看好是通讯市场。 而且由于传感器是光仪电系统的“感觉器官”,是测量系统中的一种前置部件, 它将输入变量转换成可供测量的信号。传感技术综合了物理、化学、生物、电子 和微电子、材料、精密机械、微细加工和实验测量等方面的知识和技术。中国、 美、日、英、法、德等国都把传感器技术列为国家重点开发的关键
13、技术之一。 1.1.2 本课题研究内容 本课题介绍了光栅干涉单元,传感器所用激光器及由日本滨松公司型号为 S6695-01 的四象限光电探测器作为光电接接收并对信号前置放大的设计。所得两 路正交信号滤波、消除直流偏置和差分放大,及整形为方波信号的各部分电路的具 体设计。GAL16V8 进行四倍频细分和辨向处理,然后送到 AT89C51 单片机实现干 涉条纹计数,并有共阴极七段数码管显示出计数值的具体电路设计及计量位移程序 设计及调试。 3 1.2 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构 该传感器主要由透射型全息衍射正弦相位光栅、平行簧片机构、触针及测杆、 半导体激光器、光电探测器及信号处理电路组
14、成。传感器结构如图 1-1 所示。 平行簧片机构由一对带夹板的片簧、平移架和固定架成,衍射光栅安装在平行 簧片机构的平移架上。在测量过程中,触针随工件轮廓起伏运动,使杠杆绕其支点 转动并通过刀口带动安装在平移架上的光栅上下平移运动。激光器发出的激光束 入射到第一全息衍射光栅上,产生l 级衍射光, 当1 级衍射光经过第二全息衍射 光栅利用一定的光学方法使其产生的衍射光发生干涉现象,形成明暗相间的干涉 条纹。当光栅上下移动时,干涉条纹跟随移动,条纹移动量由光电探测器件测出。 图 1-1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器机械结构示意图 复位弹簧的作用是对平移架施加预拉力,使传感器复位。当触针与工件轮廓
15、接触时,杠杆受到测量力的作用,该力通过刀口传递到平移架上,与复位弹簧的 预拉力一起使上下两个片簧发生变形。 1.2.1 双光栅干涉表面轮廓测量传感器原理 双光栅干涉表面轮廓测量传感器采用的计量系统,即双光栅干涉计量 4 系统基本原理如图 1-2。 图 1-2 双光栅干涉系统基本原理 当光栅常数相同,刻线平行的两个透射式衍射光栅的平行放置在一起时,如 果单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 ,从 G1 产生的第 p 级衍射光经过 G2 后产生 q 级衍射光,则从光栅组合出射的这一衍射光束的等级序列就可表示为 (p,q)。从光栅组合出射的两衍射光,如果它们的等级序列之和相等,即 p1+q1=p2
16、+q2=r (1-1) 则它们将以相同方向出射,相当于单光栅的第 r 级方向的出射光。在双衍射 光栅计量系统中,单色平行光对第一光栅 G1 的入射角为 0,(p1,q1)(+1,0)和(p2,q2) (0,+1)两束光将以相同方向出射,相当于单光栅的第 r=+1 级方向的出射光,其强 度将由此方向上(+1,0)和(0,+1)两束光干涉的结果决定。当两个光栅不完全平行时, (+1,0)和(0,+1)两束光之间会有一个会聚角,从而发生干涉现象。 5 第 2 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器光学系统设计 2.1 双光栅光学系统简介 2.1.1 光栅光学系统定义 光栅光学系统是指形成莫尔条纹光学系统(
17、包括拾取莫尔条纹的光电接收元 件) 。它的作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号。 2.1.2 光栅光学系统应具有的一般性能 (1) 系统结构简单,装调方便,工作可靠,具有良好的抗干扰能力。 (2) 系统结构参数的变化对莫尔条纹信号质量的影响不显著。 (3) 光学系统的输出信号能够实现高倍频电子细分的要求。 (4) 系统输出多相信号,在一个莫尔条纹信号周期,能输出两路或四路相位 相差 90的信号,以满足计数、以及电子细分等的要求。 2.1.3 光栅光学系统组成 光栅传感器的光学系统主要有照明系统、光栅副、光电接收原件和机械部件 组成,对它的设计主要是对上述各部件的制作材料的选择、某些尺
18、寸的计算、一 些元器件的选用以及某些结构应具有的性能等等。 2.2 双光栅光学系统设计 2.2.1 激光器的选择 由于激光的相干性较普通光源好,因此采用激光作为光源。激光器提供位移 传感器中发生衍射、干涉所需要的光源。目前比较常用的有半导体激光器和 HE- NE 激光器等。与 HE-NE 激光器等其他激光器相比,半导体激光器体积小、重量 轻,相干性高,可靠性高,可单片集成化,价格便宜。虽然温度特性差,容易产 生噪声,但是由于半岛体激光器做衍射干涉的光源对温度特性及噪声要求不高, 并且目前集成化以后可以解决输出光发散的问题。综合以上原因考虑,并结合双 6 光栅干涉位移传感器构架较小等现实原因,采
19、用半导体激光器来满足系统需要。 2.2.2 双光栅干涉单元 双光栅干涉单元主要是用来接收激光发生装置所产生的激光束,并对激光束 衍射、干涉后,形成等间距、高反差的干涉条纹。干涉条纹移动,反映双光栅相 对位移。双光栅干涉单元的特点是两块光栅平行放置,而且两光栅的栅线走向一 致。采用的衍射光栅是从长春市恒宇光电科技有限公司购买的高精度透射型计量 光栅,槽密度为 1000 线/mm。激光束从一侧垂直入射至双光栅干涉单元时,在另 一侧干涉屏上可以看出在 0 级,1 级,1 级主极大位置出现激光光斑,而2 级、2 级及以上位置由于光强较弱则很难看到。调节双光栅之间的距离,并且 调整栅线走向始其保持一致,
20、 则可以明显看到1 级,1 级主极大位置出现高反差的干涉条纹,0 级主极大位 置的由于有 0 级光的掩盖,则不会出现高反差的干涉条纹,肉眼看上去只是一个 光斑。干涉条纹间距与双光栅之间的距离及栅线间距有关。 2.2.3 光电接收单元 采用日本滨松公司型号为 S6695-01 的四象限光电探测器作为光电接收装置。 S6695-01 一共有 4 个光电接收单元,每个单元都可独立接收光信号,4 个光电接 收单元成田字型排列,总体的感光面积为 22mm。因为有 4 个光电接收单元, 因此光电转化之后则有 4 路电流信号输出,这 4 路电流信号的强弱分别代表 4 个 光电接收单元光信号强弱。若把四象限光
21、电接收器以一定的角度卡在干涉条纹的 一个周期内,则相当于平行放置的光电探测器阵列,当干涉条纹在光电接收器上 发生持续移动的时候,这 4 路光电接收单元输出的电流信号成正弦分布,只是相 位相差 /2。 7 第 3 章 双光栅干涉表面轮廓测量传感器控制电路设计 3.1 传感器光电信号处理的设计 3.1.1 传感器光电信号处理综述 双光栅干涉光栅是基于衍射光束的干涉原理,参与干涉的衍射光束是经过衍射 后形成的,对于正弦型相位光栅,除去集中在 0 级极大处 90%以上的光能外,最后参 与干涉的光能量较小。为了高信噪比地接受干涉条纹,本传感器采用四象限光电探 测器接受光栅干涉信号,由四象限光电管接收的两
22、路正交信号经前置放大、滤波、 消除直流偏置和差动放大后,整形为方波信号后送入 GAL16V8 进行四倍频细分和 辨向处理,然后送到 AT89C51 单片机实现干涉条纹四细分计数,并将计数值 N 送给 LED 显示装置,从而直观的读出所测数值。 3.1.2 四象限光电探测器前置放大电路设计 光电二极管响应速度快,被广泛应用于光学通信中 。为了消除光电转换中背 景光强所产生的直流信号,光电信号采用差分接入方式。光电探测器前置放大电路 如图 3-1 所示。PIN1、PIN2、PIN3、PIN4 分别对应接收干涉条纹的四个光电管, sin(cos) 为理论相位相差 / 2 的两路差分信号。外加反向偏置
23、电压用来提高光 电管的响应频率和线性。假设各光电管输出电流分别为 I1 、I2 、I3、I4,在干涉 条纹稳定状态下,运算放大器输出端电压分别为: Usin = ( I1- I2 )R Ucos = ( I3 - I4)R (3-1) 8 图 3-1 四象限光电探测器前置放大电路 3.1.3 两路信号消除直流偏置和信号放大的电路设计 从光栅位移传感器得到的两路信号在实际中两路信号是相差近似为 90,幅 值不等,直流漂移不同。为了得到满足莫尔条纹计数的信号,需要对这两路信号 进行去直流、放大处理,得到两路幅值相同、直流漂移为零的信号。图 3-2 所示 的是对 Usin 、Ucos 信号处理的电路
24、原理图。 根据运算放大器的虚短和虚断性质,电路的输出电压分别为: (3-2) 12 11152316 121116 cos 11152316 1612 2 12 22156 326 sin 22156 63 1 )( )( )( )( )( )( U RRRR RRR U RRRR RR U U RRRR RRR U RRRR RR U 其中 R24、R23、R22和 R21为可调电阻,通过调节 R24和 R22的大小可改变 Usin 和 Ucos 的直流漂移,调节 R23和 R21的大小可改变 U1和 U2的幅值变化。调 节这四个电阻来达到莫尔条纹信号的有效范围。 9 图 3-2 Usin
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