【正文】 附 錄 .................................................................... 26 附錄 1 .................................................................. 26 附錄 2 .................................................................. 31 1 絕對式光柵尺 第 1 章 緒論 光柵傳感器簡介 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。 C 耐振動 20～ 35M/sec2 工作及最終成果： 1. 絕對式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 系統(tǒng)分析與論證 2. 絕對式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 3. 絕對式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 電路設(shè)計 4. 絕對式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 電路板設(shè)計與制作 5. 絕對式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 產(chǎn)品電路及總體安裝調(diào)試 成果： 、設(shè)計技術(shù)資 料 時間進(jìn)度安排： 第 5～ 6 周 參觀、布置任務(wù) 第 7～ 8 周 收集技術(shù)資料，完成技術(shù)可行性論證并撰寫開題報告 第 9～ 10 周 系統(tǒng)分析與論證 第 11～ 12 周 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 第 13～ 14 周 電路板設(shè)計與制作、總體安裝與調(diào)試 第 15～ 16 周 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 第 17 周 畢業(yè)設(shè)計論文答辯及成績評定 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 摘 要 絕對式 光柵尺，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置 ， 經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。極大地提高了系統(tǒng)的 抗干擾能力。畢業(yè)設(shè)計 (論文 )任務(wù)書 (理工類 ) 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 職 稱： 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )題目： 絕對式光柵尺 題目來源 教師科研課 題 縱向課題（ ） 題目類型 理論研究（ ） 注：請直接在所屬項目括號內(nèi)打“ √” 橫向課題（ ） 應(yīng)用研究（ ） 教師自擬課題（ √ ） 應(yīng)用設(shè)計（ √ ） 學(xué)生自擬課題（ ） 其 他（ ） 總體設(shè)計要求及技術(shù)要點： 該傳感器與光柵數(shù)顯表 ,或與電子細(xì)分卡、計算機(jī)、 PLC，或與數(shù)控單元一起組成測量、控制系統(tǒng)。 工作環(huán)境及技術(shù)條件： 主要技術(shù)指標(biāo)： 量程 50～ 11000mm 工作速度 30～ 120m/min 準(zhǔn)確度177。 本文就光柵的數(shù)據(jù)采集，信號的細(xì)分辨相作詳細(xì)的研討和論證。 國家標(biāo)準(zhǔn) GB766587 對傳感器下的定義是： “ 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由 敏感元件 和轉(zhuǎn)換元件組成 ” 。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，可用作直線位移或者角位移的檢測。 課題背景 從上個世紀(jì) 50 年代到 70 年代柵式測量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這 5 種測量系統(tǒng)都是將一個柵距周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結(jié)合了起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。測量長度從 1m、 3m達(dá)到 30m和 100m。 德國 Heidenhain 公司 1961 年開始開發(fā)光柵尺和圓柵傳感器，并制造出柵距為 4μ m（ 250 線 /mm）的光柵尺和 10000 線 /轉(zhuǎn)的圓光柵測量系統(tǒng)，能實現(xiàn) 1 微米和 1 角秒的測量分辨力。在 1987 年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實現(xiàn)納米級的測量，并允許較寬松的安裝。在原理的完成，查漏，補(bǔ)全以及替換上反復(fù)驗證。 3．熟悉光柵傳感器的制作工藝，了解生產(chǎn)過程，在工程生產(chǎn)中所要求的注意事項，在工藝中實際的實現(xiàn)有技術(shù)要求，要聯(lián)系到實際可能性和實用性，最后完成并生產(chǎn)出實際的光柵傳感器。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。 反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。比如 600nm的一級輻射和 300nm 的二級輻射、 200nm 的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。 光柵單色儀的分辨率 R 是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為： R=λ /Δλ 光柵光譜儀中有實際意義的定義是測量單個譜線的半高寬 (FWHM)。 4 光柵測量原理 信息采 集原理 傳感器的目的是把現(xiàn)實生活中的各種物理、化學(xué) 信息轉(zhuǎn)化成電子信號從而方便數(shù)據(jù)的后期處理。 當(dāng)然，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性往往在光源后和光敏元件前增設(shè)透鏡裝置。 當(dāng)測量光柵左右移動時 ，透過光柵尺的光強(qiáng)度會有明暗的變化，通過光敏元件把這種明暗變化用電信號表示出來，完成數(shù)據(jù)的采集。另一根光柵尺很短很小，有 4 個裂相 窗口， 每個窗口上 刻有與標(biāo)尺相同柵矩的 明暗相間的光柵條紋，且 4 個窗口 各自相距為柵矩 的 （ N+1/2） 倍 ， 此光柵尺 稱為測量光柵。測量位移的大小，速度的多少都經(jīng)過指示光柵進(jìn) 行讀取和記錄。 7 第 3 章 光柵尺的電路設(shè)計 光柵尺辨相技術(shù) 辨相的原理 上章我們已經(jīng)闡述了光柵尺的信息采集，下文簡述光柵尺的如何進(jìn)行辨相。光柵 柵線很細(xì)肉眼看到的只是裂相窗口的平均光強(qiáng)。 測量光柵 向右 移動 3/4 柵距 時， 0 度窗口半明半暗， 90 度窗口是全 暗 ， 180 度窗口 半明半暗 ， 270 度窗口 全明 。 將以上兩路信號送入辯向電路，即可區(qū)分 測量 光柵尺的移動方向。 270186。 90186。 圖 34 辨相電路 上節(jié)得到兩路 正弦信號 A 和 B,經(jīng)過 辨相 電路，當(dāng)測量光柵右移時使得計數(shù)器加計數(shù)數(shù)，左移時減計數(shù)，此時，我們就可以完成對測量的辨相。接著我們對 u1’ 及其反向信號進(jìn)行微分，得到的兩路微分信號分別與 u2’ 做與運算。 10 圖 36 辨相 電路各點輸出波形 細(xì)分原理 經(jīng)過整形電路后的輸出信號放大倍數(shù)有限，精度也不是很高，所以需要細(xì)分電路處理。 四細(xì)分 光柵傳感器輸出兩路相位相差為 90176。 首先介紹一下電阻鏈移向原理：根據(jù)戴維南的等值發(fā)電機(jī)原理，圖中 圖 38 電阻鏈移向原理 2 1 2 1 2 22 1 2 1 2 1 2 1 2 21 1 2 2 2 1 2 1[ ( ) /( ) ][ ( ) /( ) ] [ ( ) /( ) ][ /( ) ] [ /( ) ]abU E E E R R RE R R R R E E R R RR R R E R R R E? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? UabE 1R 1 R 2E 2 12 令： 221 2 1 2( ) /K R R R R? ? ? 則：1 1 2 2 2 1 2 11 { [ ( )] [ ( )] }abU K R R R E K R R R EK? ? ? ? 令： 2 sinE ?? 1 cosE?? 221 1 2 cosR R R t?? 222 1 2 sinR R R t?? 則： 221 2 1 2221 2 1 2( ) ( si n c os si n c os )( ) si n( )abU R R R R t tR R R R t? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 所以當(dāng)選不同的 1R 和 2R 值 時，可獲得不同的相移角 t，從而使得正弦信號得到移相的目的。經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生十路方波信號，再經(jīng)過如圖組合的異或電路形成兩路相差 90 度 的五細(xì)分方波信號。而在這之前，還需要光柵傳感器的版圖制作。在設(shè)計制作中，耗用了大量的時間在布局設(shè)計上面，是本次設(shè)計最為耗時的環(huán)節(jié)。 由于電路設(shè)計的完成，按照原理圖，首先構(gòu)建電路圖，在軟件環(huán)境中把前面提到的電路設(shè)計思想用電路圖的形式畫出來，同時注意器件的選擇，擺放的結(jié)構(gòu)，各部分細(xì)節(jié)，都要完整，不可缺失。 電路圖的繪制 啟動 Protel 99 軟件，新建 sch 文件，根據(jù)前面設(shè)計的電路，調(diào)用合適的元件，開始繪制電路圖。 下面將對版圖各部分進(jìn)行圖片示意，在版圖設(shè)計中，布局尤為關(guān) 鍵，但是還有一個不可忽視的問題存在，可實現(xiàn)性。 3（ 20177。所以在裝機(jī)前對元器件進(jìn)行測試篩選就顯得尤其重要。一次篩選也稱成品篩選 , 是由元器件生產(chǎn)廠按元器件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和訂貨合同要求進(jìn)行的出廠前篩選。元器件經(jīng)過篩選可以發(fā)現(xiàn)并剔除在制造、工藝、材料方面的缺陷和隱患。 元器件的失效率隨時間變化的過程可以用類似“浴盆曲線”的失效率曲線來描述 ,早期失效率隨時間的增加而迅速下降 ， 使用壽命期 (或稱偶然失效期 )內(nèi)失效率基本不變。失效判據(jù)是質(zhì)量和可靠性的指標(biāo) ， 有時也有成本的內(nèi)涵 ， 所以元器件失效不僅指功能的完全喪失 ， 而且指電學(xué)特性或物理參數(shù)降低到不能滿足規(guī)定的要求。試驗失效主要是封裝失效和電性能失效。所以 ,一般將封裝失效的篩選放在前面 ,電性能失效的篩選放在后面。主要原因是，當(dāng)連結(jié)性失效模式被特定的篩選條件觸發(fā)時，往往出現(xiàn)的現(xiàn)象為元器件封裝涂覆發(fā)生銹蝕、外殼斷裂、引線熔斷、脫落或者與其他引線短路，主要表現(xiàn)為機(jī)械和熱應(yīng)力損傷 ,但是有時并不表現(xiàn)為連結(jié)性故障，而是反映為金屬疲勞、鍵合強(qiáng)度不夠等問題，這些本身不會引發(fā)連結(jié)性失效，但是會引發(fā)功能性失效和 電參數(shù)失效，需要通過功能性和電參數(shù)監(jiān)測才能發(fā)現(xiàn)。當(dāng)受到特定的外部條件激發(fā)的情況下，就會產(chǎn)生功能性失效 和電參數(shù)失效，但是這些功能性失效和電參數(shù)失效造成的影響往往只能造成元器件部分的功能失去作用，還不能使芯片的封裝和各部分的連結(jié)線出現(xiàn)燒毀、短路、開路等現(xiàn)象 ,所以電路的功能性失效和電參數(shù)失效與連結(jié)性失效不產(chǎn)生引發(fā)效果。而選擇方案 2就可以非常有效地避免上述問題的發(fā)生 ,使篩選過程優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和高效。 4． 考慮經(jīng)濟(jì)性 ,便宜的先做。對有擊穿電壓和漏電流測試要求的元器件 ,擊穿電壓在前 ,漏電流在后 ,功能參數(shù)最后測試。如果由于安裝位置限制必須采用讀數(shù)頭朝上的方式安裝時，則必須增加輔助密封裝置。用千分表檢查機(jī)床 工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運動的方向平行度。②該基座通過銑、磨工序加工，保證其平面平行度。安裝時，調(diào)整讀數(shù)頭位置，達(dá)到讀數(shù)頭與光柵尺尺身的平行度為 ，讀數(shù)頭與光 柵尺尺身之間的間距為 1~ 左右。 （ 2） 在有基座情況下安裝好 后，最好用一個卡子卡住尺身中點（或幾點）。 位移傳感器限位裝置 光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機(jī)床加工產(chǎn)品移動時讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從 而損壞光柵尺。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）。因此，光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護(hù)罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力 [6]。 （ 4）為延長防塵密封條的壽命，可在密封條上均勻涂上一薄層硅油， 注意勿濺落在玻璃光柵刻劃面上。 （ 8） 應(yīng)注意防止油污及水污染光柵尺面，以免破壞光柵尺 線條紋分布，引起測量誤差。 24 第 6 章 結(jié)論 在指導(dǎo)老師的大力支持和辛苦教導(dǎo)下，絕對式光柵尺的設(shè)計得以順利結(jié)束。 本設(shè)計總結(jié)性的介紹了以下內(nèi)容： 1．對光柵基本原理的闡述，測量原理的介紹等等基本信息。而在倆者間，我們需要設(shè)計電子版圖。光柵傳感器的測距在某種程度上做為檢測手段，是未來不可少的一部分，掌握這種設(shè)計技術(shù)越先進(jìn)，在未來將越有競爭力。針對“實驗性物理和工業(yè)控制系統(tǒng)” (EPICS)開發(fā)的驅(qū)動程序使用了EtherNet/IP 協(xié)議，從而使得控制器可以運行 vxWorks RTOS、 Win32 和 Unix/Linux 的測試程序。 經(jīng) 被測物體反射 的光柵投影通過另一個 4倍 光學(xué)系統(tǒng)成像形成莫爾條紋 。 在實驗中，位置傳感器的效力 得到 證明， 并且 均方根（ RMS）的每個測量位置誤差小于 13 納米。當(dāng)有物體阻擋在對象的垂直方向時，普通光學(xué)方法就不在適用。 焦距透鏡組 L1和 L2組成 4 倍焦系統(tǒng) 1。這個傳感光柵呈現(xiàn)在 L4 的背面焦點平面。一個 起偏鏡和鍍板 在 L4 和 檢測光柵 之間。 當(dāng)分析儀是圍繞 在