【正文】 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(shí)，可獲得不同的相移角 t，從而使得正弦信號(hào)得到移相的目的。 10 圖 36 辨相 電路各點(diǎn)輸出波形 細(xì)分原理 經(jīng)過整形電路后的輸出信號(hào)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。 圖 34 辨相電路 上節(jié)得到兩路 正弦信號(hào) A 和 B,經(jīng)過 辨相 電路，當(dāng)測(cè)量光柵右移時(shí)使得計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)數(shù)，左移時(shí)減計(jì)數(shù)，此時(shí)，我們就可以完成對(duì)測(cè)量的辨相。 270186。 測(cè)量光柵 向右 移動(dòng) 3/4 柵距 時(shí)， 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 。 7 第 3 章 光柵尺的電路設(shè)計(jì) 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(jiǎn)述光柵尺的如何進(jìn)行辨相。另一根光柵尺很短很小，有 4 個(gè)裂相 窗口， 每個(gè)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(gè)窗口 各自相距為柵矩 的 （ N+1/2） 倍 ， 此光柵尺 稱為測(cè)量光柵。 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。 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(shí)際意義的定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬 (FWHM)。 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(zhǎng)相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。 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(xiàng)，在工藝中實(shí)際的實(shí)現(xiàn)有技術(shù)要求，要聯(lián)系到實(shí)際可能性和實(shí)用性，最后完成并生產(chǎn)出實(shí)際的光柵傳感器。在 1987 年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量，并允許較寬松的安裝。測(cè)量長(zhǎng)度從 1m、 3m達(dá)到 30m和 100m。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(cè)。 本文就光柵的數(shù)據(jù)采集，信號(hào)的細(xì)分辨相作詳細(xì)的研討和論證。畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(jì) (論文 )題目： 絕對(duì)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(qǐng)直接在所屬項(xiàng)目括號(hào)內(nèi)打“ √” 橫向課題（ ） 應(yīng)用研究（ ） 教師自擬課題（ √ ） 應(yīng)用設(shè)計(jì)（ √ ） 學(xué)生自擬課題（ ） 其 他（ ） 總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)要點(diǎn)： 該傳感器與光柵數(shù)顯表 ,或與電子細(xì)分卡、計(jì)算機(jī)、 PLC，或與數(shù)控單元一起組成測(cè)量、控制系統(tǒng)。 C 耐振動(dòng) 20～ 35M/sec2 工作及最終成果： 1. 絕對(duì)式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 系統(tǒng)分析與論證 2. 絕對(duì)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(jì) 3. 絕對(duì)式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 電路設(shè)計(jì) 4. 絕對(duì)式直線編碼器 JGX7 光柵傳感器 電路板設(shè)計(jì)與制作 5. 絕對(duì)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(jì)技術(shù)資 料 時(shí)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(bào)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(jì) 第 13～ 14 周 電路板設(shè)計(jì)與制作、總體安裝與調(diào)試 第 15～ 16 周 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 17 周 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文答辯及成績(jī)?cè)u(píng)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(duì)式 光柵尺，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)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。 光柵尺位移傳感器（簡(jiǎn)稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。光柵在柵式測(cè)量系統(tǒng)中的占有率已超過 80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨力已覆蓋微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)，測(cè)量速度從 60m/min，到480m/min。并在光柵一個(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。在這里需要對(duì)實(shí)際工作的認(rèn)識(shí)和熟悉，加工工藝的要求在這里要有充分的認(rèn)識(shí)?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。 含多波長(zhǎng)的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變 α ，則在 α +β 不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。原理概述如下：由發(fā)光源發(fā)出的激光透過光柵尺照射到光敏元件上，光敏元件 把得到的光線強(qiáng)度反應(yīng)到電路中從而得到相應(yīng)的電信號(hào)。 一根為主光尺，也就是刻度 標(biāo)尺 ，上均勻的刻有明暗相間的光柵條紋 。使用時(shí)，當(dāng)定位窗口與定位光柵重合時(shí)就會(huì)發(fā)出信息，從而確定此事測(cè)量光柵的絕對(duì)位置。 測(cè)量光柵 向右 移動(dòng) 1/2 柵距 時(shí) ， 0 度窗口全暗， 90 度 窗口半明半暗， 180 度窗口 全明 ， 270 度窗口則是 半明半暗 。 π 2π 0 ωt 90186。 ， 如圖 34 所示。至此 ， 我們完成了 當(dāng)測(cè)量光柵右移時(shí)使得計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù)數(shù)，左移時(shí)減計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)要求， 電路辨相完成。 硬件五細(xì)分，通過對(duì)正弦信號(hào)移向并組合，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)分 。 13 圖 39 五細(xì)分電路 O001803605407209001080126014401620003607201080144016201260900540180sinco s sin比較電平絕對(duì)零輸入O2O1電 阻 鏈 14 第 4 章 光柵尺版圖制作 版圖制作概況 光柵傳感器 的設(shè)計(jì)，在基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)完成后，需要實(shí)現(xiàn)硬件的產(chǎn)品。為硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供指導(dǎo)。 15 電路圖的完成如下： 圖 41 光柵尺電路圖 電子版圖布線設(shè)計(jì) 在完成電路圖后，要對(duì)電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，這一處更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力，把對(duì)應(yīng)的器件，電阻，模塊選取出來，放到模板上，首先確定模板范圍，然后各器件和模塊的擺放，位置的不一樣，讓布線的難易不一樣，在這一點(diǎn)上，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，不斷地改良中，層板改為2 層，上下層，模板大小更加緊湊，精細(xì)。元器件是電子設(shè)備和系統(tǒng)的基本單元 ,為了提高系統(tǒng)的可靠性 ,必須首先保證元器件的可靠性 ,但是即使高可靠性的元器件 ， 在最好的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制下 ， 仍然不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些有缺陷、質(zhì)量不符合要求的產(chǎn)品。元器件篩選是提高電子元器件使用可靠性的重要手段 ， 因而也是提高電子產(chǎn)品固有可靠性的有效手段。判斷元器件的失效與否 是由失效判別標(biāo)準(zhǔn)即 失效判據(jù)所確定的。在正常情況下是通過在檢測(cè)時(shí)施加一段時(shí)間的環(huán)境應(yīng)力后 ， 對(duì)外觀的檢查 (主要是鏡檢 ， 根據(jù)元器件的質(zhì)量要求 ，采用放大 10 倍對(duì)元器件外觀進(jìn)行檢測(cè) ， 也可以根據(jù)需要安排紅外線及 X 射線檢查 ) ， 以及氣密性篩選來完成 ， 當(dāng)有特殊需要時(shí) ， 可以增加一些 DPA (破壞性物理分析 )等特殊測(cè)試 ； 這些篩選項(xiàng)目對(duì)電性能失效模式不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)效果。這些因素作用下半導(dǎo)體晶體會(huì)受到各種表面污染物的玷污 ,會(huì)使產(chǎn)品不能達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)要求。 3． 使用不同方法對(duì)同一種失 效模式進(jìn)行篩選時(shí) ,首先考慮失效概率的分布 ,容易觸發(fā)失效的篩選方法首先進(jìn)行。其安裝方式的選擇必須注意切屑、切削液及油液的濺落方向?；笞龅剑孩賾?yīng)加一根與光柵尺尺身長(zhǎng)度相等的基座（最好基座長(zhǎng)出光柵尺 50mm 左右）。在安裝光柵主尺時(shí)，應(yīng)注意如下三點(diǎn)： （ 1） 在裝主尺時(shí)，如安裝超過 以上的光柵時(shí)，不能象橋梁式只安裝兩端頭，尚需在整個(gè)主尺尺身中有支撐。 在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置，來回移動(dòng)工作點(diǎn)至該選取的位置。 （ 3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動(dòng)。這對(duì)于確定性控制是致命的威脅。最后獲取 A,B， Z 信號(hào)，并對(duì)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，換算為位移大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)距的電路思路設(shè)計(jì)； 2．在獲取了電路設(shè)計(jì)的同時(shí)，我們還要將思想實(shí)際化，即生產(chǎn)實(shí)物。 ControlLogix 以太網(wǎng)連接模塊“ 1756ENET”使用了 EtherNet/IP、 ControlNet 等協(xié)議，并采用了專業(yè)的服務(wù)代碼封裝于以太網(wǎng)協(xié)議包中。 測(cè)量是 用 獨(dú)立的光柵投影強(qiáng)度和對(duì)象的反射率來衡量 。一個(gè)投射光柵被平行激光束照亮 ,投置到前面的焦面鏡 L1。莫爾條紋輸出信號(hào)隨物體的方位變化由一個(gè)探測(cè)器通過 透鏡 L5 探測(cè)到。 圖 ① 1 位置傳感器示意圖 在圖 ① 1 中，位 于 4 倍焦 系統(tǒng) 中的 光軸定義為 z 軸 。 隨著透鏡 L1傅立葉變換，在 4 焦距 系統(tǒng)的頻平面上的頻率分布情況為 ： ? ? ? ?1 11 1 1 1 1E sin sin sin ,2u B I c B u c B u c B u xdd uf?????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ?（① 2） 式 中 λ 是激光波長(zhǎng)和 f 是 L1的焦距 。起 偏器 的傳播軸線與 檢測(cè)光柵槽 間的夾角 為 45 176。 檢測(cè) 光柵 放在 距離 軸 X3的起 點(diǎn) d/4 的地方。那么，激光輸出強(qiáng)度和不同被測(cè)物的反射率將不會(huì)影響位移傳感器。 4 倍焦系統(tǒng) 2 和 4 倍焦系統(tǒng) 1 有相同的光學(xué)參數(shù)，檢測(cè)光柵和投影光柵有相同的光學(xué)參數(shù)。 IAC／ IDC 隨高度做正弦變化。試驗(yàn)中， 該方法的可行性 得以 驗(yàn)證 。 最后，我們提出了一 種基于帶有特別的過濾和偏移調(diào)制的光柵投影的 位 移 傳感器 。 圖 ① 2 當(dāng)垂直移動(dòng)對(duì)象 時(shí) IAC/IDC（ a）和均方根誤差（ b）測(cè)量結(jié)果 試驗(yàn)中，通過 移動(dòng)裝置在 50um 的范圍內(nèi)按 的步進(jìn)一步步移動(dòng)被測(cè)物。透鏡 L1 的焦距為 120 mm。39。因此，投影光柵的被稱 作常和特殊的兩個(gè)圖像在檢測(cè)光柵上成像。 經(jīng)過對(duì)象反 射， 投影 通過 4 倍焦系統(tǒng)成像與檢測(cè)光柵上。 光柵投影中心放置在 x0軸的起 點(diǎn)。一個(gè)分析儀安置在檢測(cè)光柵和 L5之間。由鏡頭 L3和 L4組成的 4 倍焦系統(tǒng) 2 同系統(tǒng) 1 有相同的光學(xué)參數(shù)。在普通光學(xué)方法， 諸如圖像測(cè)量，干涉儀，使用位置靈敏探測(cè)器（ PDS）的直 線 位 移測(cè) 量 ，測(cè)量光束方向 是 垂直于 被測(cè) 物體表面 的。它是一種光柵 投射 到被測(cè)物體上要 通過 4 倍的空 間濾波器光學(xué)系統(tǒng) 。隨著全球的極小化變化，工藝上要求更加細(xì)微，位移的測(cè)量始終是最受歡迎的課題，設(shè)計(jì)越精細(xì)，越精準(zhǔn)，越受到未來的青睞。需要在使用中重點(diǎn)注意。 （ 7） 不要自行拆開光柵傳感器，更不能任意改動(dòng)主柵尺與副柵尺的相對(duì)間距，否則一方面可能破壞光柵傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對(duì)摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報(bào)廢。但對(duì)于一般的機(jī)床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。最后調(diào)整讀數(shù)頭，使讀數(shù)頭與光柵主尺平行度保證在 之內(nèi)，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在 1~ 以內(nèi)。 。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部件上。對(duì)有耐電壓、絕緣電阻測(cè)試要求的元器件 ,耐壓在前、絕緣在后 ,功能參數(shù)最后測(cè)試 。 如果選擇方案 1,會(huì)發(fā)現(xiàn)將可以與其他失效模式產(chǎn)生連環(huán)引發(fā)效果的失效模式篩選放 21 在后面時(shí) ,出現(xiàn)本身失效模式?jīng)]有被觸發(fā)、其他關(guān)聯(lián)的相關(guān)失效模式被觸發(fā)的情況時(shí) ,這種帶有缺陷的元器件不能被準(zhǔn)確地定位、剔除 ,因?yàn)樵擃愂Ｊ降臋z測(cè)已經(jīng)在前面做過了。因?yàn)樵谠骷Y選測(cè)試過程中，由于過電應(yīng)力所引起的大多為連結(jié)性失效，同時(shí) ,連結(jié)性失效可以引發(fā)功能性失效和電參數(shù)失效，但是功能性失效和電參數(shù)失效不會(huì)引發(fā)連結(jié)性失效?，F(xiàn)場(chǎng)失效一般是在裝機(jī)以后出現(xiàn)的失效 ， 因此 ， 20 我們?cè)谠骷y(cè)試篩選過程中只考慮試驗(yàn)失效。為了保證整批元器件的可靠性 ， 滿足整機(jī)要求 ， 必須把使用條件下可