基于增量式光電編碼器位移傳感器研究

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)位移測(cè)量的需求，提出了一種基于增量式光電編碼器的位移傳感器的設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。傳感器硬件部分主要包括增量式光電編碼器、信號(hào)的傳輸處理和測(cè)量結(jié)果的顯示。軟件部分采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)解算測(cè)量結(jié)果并驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：增量式光電編碼器；測(cè)量；信息處理；位移傳感器

傳統(tǒng)的拉線式位移傳感器大多采用電位器式位移傳感器，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連，物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加與減小則表明了位移的方向。通常在電位器上給定電源電壓，把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件的時(shí)，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。同時(shí)，電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損、分辨力差、阻值偏低、高頻特性差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度下降。
本項(xiàng)目基于增量式光電編碼器原理研制的數(shù)字顯示式拉線式位移傳感器，一方面對(duì)目前拉線式位移傳感的改進(jìn)和完善，其動(dòng)態(tài)范圍大，具有溫度修正功能，最大量程大，測(cè)量精度高。儀器成本低廉，安裝、調(diào)試與定標(biāo)方便，系統(tǒng)運(yùn)行功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于野外長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)。一方面與傳統(tǒng)拉線式位移傳感器相比，不僅具有數(shù)字顯示功能，良好的人機(jī)交互界面，而且可以與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交互，具有遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點(diǎn)。

1 增量式光電編碼器簡(jiǎn)介
編碼器廣泛用于位置和角度的測(cè)量，可分為絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器。絕對(duì)式編碼器其特點(diǎn)是輸出信號(hào)與旋轉(zhuǎn)位置一一對(duì)應(yīng)，但其精度不高，而且成本較高。而增量式編碼器其輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，其脈沖個(gè)數(shù)與相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移有關(guān)，而與旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置無(wú)關(guān)，其精度較高，而且其成本相對(duì)較低。如果預(yù)先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)位置，則可以利用增量式編碼器實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式編碼器的功能，也即可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。
增量式編碼起按其輸出可分為差分式和非差分式，他們的輸出信號(hào)均為脈沖信號(hào)，非差分信號(hào)輸出一般有AB兩相脈沖信號(hào)，其高電平接近編碼起的工作電壓。而差分式信號(hào)輸出A相、A非相、B相、B非相，其高電平只有編碼起工作電壓的一半，不管差分還是非差分的編碼器，A相和B相信號(hào)波形完全相同，僅存在90度的相差。

2 位移傳感器結(jié)構(gòu)
位移傳感器采用鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍修改靈活、儀器成本低廉、安裝、調(diào)試與定標(biāo)方便等特點(diǎn)。同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面，使用直觀方便。外觀結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

3 位移傳感器設(shè)計(jì)
感器硬件主要由光柵編碼電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)和顯示屏等組成，系統(tǒng)硬件原理框圖結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。光柵編碼電路主要將外部的位移轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)；功放電路信號(hào)處理電路主要將脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大；單片機(jī)組要完成信號(hào)的采集，同時(shí)將計(jì)算數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移；顯示屏組要完成測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。