【文章內(nèi)容簡介】 條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。 檢測與數(shù)據(jù)處理　　光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量。 　　在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的光柵尺，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5μm的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波。然后，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。 編輯本段安裝指導(dǎo)　　光柵尺位移傳感器的安裝比較靈活，可安裝在機(jī)床的不同部位。 　　一般將主尺安裝在機(jī)床的工作臺（滑板）上，隨機(jī)床走刀而動，讀數(shù)頭固定在床身上，盡可能使讀數(shù)頭安裝在主尺的下方。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。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(shí)，則必須增加輔助密封裝置。另外，一般情況下，讀數(shù)頭應(yīng)盡量安裝在相對機(jī)床靜止部件上，此時(shí)輸出導(dǎo)線不移動易固定，而尺身則應(yīng)安裝在相對機(jī)床運(yùn)動的部件上（如滑板）。 安裝基面　　安裝光柵尺位移傳感器時(shí)，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。光柵主尺及讀數(shù)頭分別安裝在機(jī)床相對運(yùn)動的兩個(gè)部件上。用千分表檢查機(jī)床工作臺的主尺安裝面與導(dǎo)軌運(yùn)動的方向平行度。千分表固定在床身上，移動工作臺。如果不能達(dá)到這個(gè)要求，則需設(shè)計(jì)加工一件光柵尺基座。 　　基座要求做到：(1)應(yīng)加一根與光柵尺尺身長度相等的基座（最好基座長出光柵尺50mm左右）。(2)該基座通過銑、磨工序加工。另外，還需加工一件與尺身基座等高的讀數(shù)頭基座。讀數(shù)頭的基座與尺身的基座總共誤差不得大于177。安裝時(shí)，調(diào)整讀數(shù)頭位置，讀數(shù)頭與光柵尺尺身之間的間距為1~。 主尺安裝　　將光柵主尺用M4螺釘上在機(jī)床安裝的工作臺安裝面上，但不要上緊，把千分表固定在床身上，移動工作臺（主尺與工作臺同時(shí)移動）。用千分表測量主尺平面與機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動方向的平行度，調(diào)整主尺M(jìn)4螺釘位置，把M2螺釘徹底上緊。 　　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)，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。(2)在有基座情況下安裝好后，最好用一個(gè)卡子卡住尺身中點(diǎn)（或幾點(diǎn)）。(3)不能安裝卡子時(shí)，最好用玻璃膠粘住光柵尺身，使基尺與主尺固定好。 讀數(shù)頭安裝　　在安裝讀數(shù)頭時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)安裝條件非常的有限，可以考慮使用附件，如角鋁、直板，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。最后調(diào)整讀數(shù)頭，其讀數(shù)頭與主尺的間隙控制在1~。安裝完畢后，可以用大拇指接觸讀數(shù)頭與光柵尺尺身表面是否平滑、平整。 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(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。另外，用戶在選購光柵線位移傳感器時(shí)，應(yīng)盡量選用超出機(jī)床加工尺寸100mm左右的光柵尺，以留有余量。 傳感器檢查　　光柵線位移傳感器安裝完畢后，可接通數(shù)顯表，移動工作臺，觀察數(shù)顯表計(jì)數(shù)是否正常。 　　在機(jī)床上選取一個(gè)參考位置，來回移動工作點(diǎn)至該選取的位置。數(shù)顯表讀數(shù)應(yīng)相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表與數(shù)顯表同時(shí)調(diào)至零（或記憶起始數(shù)據(jù)），往返多次后回到初始位置，觀察數(shù)顯表與千分表的數(shù)據(jù)是否一致。 　　通過以上工作，光柵尺線位移傳感器的安裝就完成了。但對于一般的機(jī)床加工環(huán)境來講，鐵屑、切削液及油污較多。因此，傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計(jì)是按照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。 編輯本段注意事項(xiàng)　　（1）光柵尺位移傳感器與數(shù)顯表插頭座插拔時(shí)應(yīng)關(guān)閉電源后進(jìn)行。 　?。?）盡可能外加保護(hù)罩，并及時(shí)清理濺落在尺上的切屑和油液，嚴(yán)格防止任何異物進(jìn)入光柵尺傳感器殼體內(nèi)部。 　　（3）定期檢查各安裝聯(lián)接螺釘是否松動。 　　（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。 　?。?） 為保證光柵尺位移傳感器使用的可靠性，可每隔一定時(shí)間用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光柵尺面及指示光柵面，保持玻璃光柵尺面清潔。 　?。?） 光柵尺位移傳感器嚴(yán)禁劇烈震動及摔打，以免破壞光柵尺，如光柵尺斷裂，光柵尺傳感器即失效了。 　?。?） 不要自行拆開光柵尺位移傳感器，更不能任意改動主柵尺與副柵尺的相對間距，否則一方面可能破壞光柵尺傳感器的精度；另一方面還可能造成主柵尺與副柵尺的相對摩擦，損壞鉻層也就損壞了柵線，以而造成光柵尺報(bào)廢。 　?。?） 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。 　　（9） 光柵尺位移傳感器應(yīng)盡量避免在有嚴(yán)重腐蝕作用的環(huán)境中工作，以免腐蝕光柵鉻層及光柵尺表面，破壞光柵尺質(zhì)量。1．3．2　辨向電路　　位移除了有大小的屬性外，還具有方向的屬性。為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，僅靠一個(gè)光敏元件輸出一個(gè)信號是不行的。必須有2個(gè)以上的信號根據(jù)他們的相位不同來判斷位移方向。因此，本設(shè)計(jì)采用的是4個(gè)硅光電池來接收莫爾條紋信號，則輸出的4路信號在相位上依次相差90176。，利用這種特點(diǎn)設(shè)計(jì)的辨向電路的如圖3所示。圖中u1，u2和u3，u4分別通過相同的電路實(shí)現(xiàn)對位移方向的區(qū)別。當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號，u3，u4無信號），則圖中A點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，B點(diǎn)為恒定電平；當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號，u3，u4無信號），則圖中B點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，A點(diǎn)為恒定電平。用2個(gè)不同計(jì)數(shù)器分別記錄上移和下移所形成的脈沖數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)辨向?！　?．4　LED顯示本文采用動態(tài)4位顯示。第1位為符號為，莫爾條紋上移為正，下移為負(fù)；第2，3位為整數(shù)位；第4位為小數(shù)位。將所有的段選線并聯(lián)在一起，由單片機(jī)的P1口控制，而共陰極公共端分別由P3．0，P3．1，P3．2，P3．3控制，實(shí)現(xiàn)各位分時(shí)選通?！　?　軟件部分　　軟件部分主要有采集子程序、數(shù)據(jù)處理和顯示子程序組成［4］。采集子程序完成對計(jì)數(shù)值的讀入和轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)處理子程序完成對采集數(shù)據(jù)的線形化處理；顯示子程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行循環(huán)顯示。程序的流程如圖4所示?！　?　結(jié)　語　　本文中，設(shè)計(jì)的硬件采用比較器LM339把光敏器件輸出信號轉(zhuǎn)換成方波信號，采用邏輯辨向電路，對光柵的正向、反向移動做準(zhǔn)確的判斷；采用8253的2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對正反兩路信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后，用89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，送到顯示器顯示。硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、精度比較高；軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，程序簡單、可讀性強(qiáng)、效率高?！　⒖嘉墨I(xiàn)［1］劉克非，張春林，等．光柵位移傳感器在凸輪輪廓測線中的運(yùn)用［J］．傳感器技術(shù)，2002，（21）．［2］李殿奎．光柵計(jì)量技術(shù)［M］．北京：中國計(jì)量出版社，1987．［3］李懷瓊，陳錢．新型光柵信號數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析［J］．電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2001，15（3）．［4］余永權(quán)．ATMLE89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．利用光柵作為傳感元件進(jìn)行位置測量的原理是：用一對計(jì)量光柵作位移傳感器，通過對莫爾條紋的計(jì)數(shù)測出移動光柵的位移量。隨著光柵刻制技術(shù)的發(fā)展和莫爾條紋細(xì)分技術(shù)的不斷完善，工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域中的光柵技術(shù)得到了飛速發(fā)展。二、光柵的制造與檢驗(yàn)光電刻劃和光電檢驗(yàn)是近代制造和檢驗(yàn)高精度低成本的主要方法。在長光柵刻劃中，國內(nèi)或以基準(zhǔn)光柵，或以激光干涉儀產(chǎn)生基準(zhǔn)光電信號觸發(fā)閃光燈進(jìn)行光刻。如昆明機(jī)床廠的激光動態(tài)光刻裝置，可直接刻制反射式金屬光柵尺和透射式鍍鉻玻璃光柵尺，相鄰線紋間距誤差不大于177。０．２μｍ，全長綜合累積誤差不大于177。１μｍ／ｍ。值得注意的是，國外有一種光刻機(jī)用激光干涉儀與基準(zhǔn)光柵產(chǎn)生模擬形式的誤差信號供給伺服機(jī)構(gòu)推動母板進(jìn)行微位移，達(dá)到修正基準(zhǔn)光柵誤差的目的。國外光柵尺的精度可達(dá)土０．１μｍ／ｍ。制造高精度的光柵尺離不開檢驗(yàn)裝置，而光柵檢驗(yàn)裝置所檢測的重要指標(biāo)是準(zhǔn)確度自1978年，加拿大的Hill等人首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光敏現(xiàn)象并采用駐波法制造出世界上第一根光纖光柵和1989年美國的Melt等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵（FBG）的UV激光側(cè)面寫入技術(shù)以來，光纖光柵的制造技術(shù)不斷完善，人們對光纖光柵在光傳感方面的研究變得更為廣泛和深入。光纖光柵傳感器具有一般傳感器抗電磁干擾、靈敏度高、尺寸小、重量輕、成本低，適于在高溫、腐蝕性等環(huán)境中使用的優(yōu)點(diǎn)外，還具有本征自相干能力強(qiáng)和在一根光纖上利用復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用、多參量分布式區(qū)分測量的獨(dú)特優(yōu)勢。故光纖光柵傳感器已成為當(dāng)前傳感器的研究熱點(diǎn)。由光源、光纖光柵傳感器和信號解調(diào)系統(tǒng)為主構(gòu)成的光纖光柵系統(tǒng)如何能夠在降低成本、提高測量精度、滿足實(shí)時(shí)測量等方面的前提下，使各部分達(dá)到最優(yōu)匹配，滿足光纖光柵傳感系統(tǒng)在現(xiàn)代化各個(gè)領(lǐng)域?qū)嵱没男枰彩茄芯咳藛T重點(diǎn)考慮的問題。 本文對光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對光纖光柵系統(tǒng)的寬帶光源進(jìn)行了說明，重點(diǎn)分析了光纖光柵傳感器的傳感原理及如何區(qū)分測量技術(shù)，對信號常用的信號解調(diào)方法進(jìn)行了總結(jié)，最后，提出為適應(yīng)未來的需要對系統(tǒng)各部分的優(yōu)化措施。 光纖光柵傳感系統(tǒng) 光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調(diào)等組成。寬帶光源為系統(tǒng)提供光能量，光纖光柵傳感器利用光源的光波感應(yīng)外界被測量的信息，外界被測量的信息通過信號解調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地反映出來。 光 源 光源性能的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)所送光信號的好壞。在光纖光柵傳感中，由于傳感量是對波長編碼，光源必須有較寬的帶寬和較強(qiáng)的輸出功率與穩(wěn)定性，以滿足分布式傳感系統(tǒng)中多點(diǎn)多參量測量的需要。光纖光柵傳感系統(tǒng)常用的光源的有LED，LD和摻雜不同濃度、不同種類的稀土離子的光源。LED光源有較寬的帶寬，可達(dá)到幾十個(gè)納米，有較高的可靠性，但光源的輸出功率較低，且很難與單模光纖耦合。LD光源具有單色性好、相干性強(qiáng)、功率高的特點(diǎn)。但LD光譜的穩(wěn)定性差（4104／℃）。因此，這2種光源自身的缺點(diǎn)制約了它們在光傳感中的應(yīng)用。摻雜不同種類、不同濃度的稀土離子的光源研究最廣泛的是摻鉺光源。現(xiàn)在C波段摻鉺光源已經(jīng)研制成功并使用，隨著光通信中對通信容量和速度的要求及分布式光纖傳感密集布點(diǎn)對光源帶寬要求，L波段的研究越來越重要。有研究者提出C+L波段的研制方案以提高光源的帶寬和功率。摻鉺光源在溫度穩(wěn)定性方面比半導(dǎo)體光源提高2個(gè)數(shù)量級，同時(shí)，能提供較高的功率、寬的帶寬和較長的使用壽命，因此，可以擴(kuò)大光纖光柵傳感器的測量范圍，提高檢測的信噪比。 光纖光柵傳感器 光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應(yīng)變同時(shí)敏感，即溫度與應(yīng)變同時(shí)引起光纖光柵耦合波