1、光栅装置测量电路设计、组装与调试1. 光栅测量装置的细分判向电路原理 光栅装置在位置检测中的应用光栅分为物理光栅和计量光栅，计量光栅栅距大一些，常用于检测直线位移和角位移等，计量光栅装置是数控设备、坐标镗床、工具显微镜 X-Y 工作台及某些坐标测量仪器上使用广泛的检测装置。 光栅测量原理光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，光栅位移传感器产生黑白相间莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到可逆计数器对移动的
2、莫尔条纹进行计数，代表位移的计数值最后送到计算机接口并读入计算机内存。 光栅位移测量装置光栅位移测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、接口传送的测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现放大整形、细分和判向、脉冲计数等功能的电子系统和相应的机械机构。如图 4-29 所示。2. 光栅装置电路设计 光栅测量装置的放大整形、细分和判向电路 信号转换电路与放大电路莫尔条纹信号是放大的光栅信号，光电转换器件选硅光电池，莫尔条纹信号采用 4 极硅光电池接收。光栅栅距 W，可得最小读数值 W4。 整形电路采用信号比较电路进行整形。四重比较器集成芯片 LM339 构成信号比较电路，放大的电信号
3、加到 LM339 的 4 个比较器的正输入端上，对这 4 路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为 1：1 的方波，而且数字 0，1 的电平符合图 4-29 光栅位移测量装置TTL 电平。在这 4 个比较器的负输入端分别预置一定的参考电压，可调整该参考电压使光栅输出的方波具有合适域值和高、低电平宽度。电路见图 4-30，波形见图 4-31。图 4-30 放大整形、细分和判向电路波形图 细分和判向电路为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用 4 极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度 B，使它正好与 4 个硅光电池的宽
4、度相同。则可直接获得在相位上依次相差 90的 4 路信号，即进行 4 倍细分。位移除了有大小的属性外，还具有图 4-31 放大整形、细分和判向电路波形图图 4-31 光栅位移波形图方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，本设计采用的是 4 个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的 4 路信号在相位上依次相差 90，W光栅的栅距，x标尺光栅位移量。标尺光栅左移时，4 个硅光电池输出的 4 路信号：UaU 0UmSIN( ) xW360UbU 0UmSIN( 90) U 0UmCOS( ) xW360UcU 0UmSIN( 180) U 0UmSIN( )x360UdU 0UmSIN( 270) U
5、 0UmCOS( )W x360标尺光栅右移时，4 个硅光电池输出的 4 路信号：UaU 0UmSIN( 270) U 0UmCOS( )x360xWUbU 0UmSIN( 180) U 0UmSIN( )W 360UcU 0UmSIN( 90) U 0UmCOS( )x360xUdU 0UmSIN( )利用这种特点设计的辨向电路的如图 4-30 所示，波形见图 4-31。图中Ua，Ub 和 Uc，Ud 分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。如图 4-30 所示，用 2 个不同计数器分别记录莫尔条纹上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。可得到四个相位依次为 0、90、180、270的方波信
6、号，它们分别经 RC 微分电路，可得到四个尖脉冲信号。当指示光栅正向移动时，四个微分信号分别和有关的方波高电平相遇，可以在 74LS54-1 的输出端得到四个加法计数脉冲，74LS54-2 保持低电平。如图 4-30 所示。反之，当指示光栅反向移动时，可以在 74LS54-2 的输出端得到四个减法计数脉冲。 当莫尔条纹上移时，4个硅光电池输出信号Ua，Ub和Uc，Ud相位依次相差90。工作过程是：(1) 比较器LM339输出Vb高电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Va通过0的与或非门产生一个加一计数脉冲；(2) 比较器LM339输出Va高电平，打开相应90的与门，微分电路输出的微分
7、信号Va通过90的与或非门产生一个加一计数脉冲；(3) 比较器LM339输出Vd高电平，打开相应180的与门，微分电路输出的微分信号Vc通过180的与或非门产生一个加一计数脉冲；(4) 比较器LM339输出Vc高电平，打开相应270的与门，微分电路输出的微分信号Vb通过270的与或非门产生一个加一计数脉冲；在 上 移 一 个 莫 尔 条 纹 周 期 中 ， 四 极 硅 光 电 池 通 过 辨 向 电 路 输 出 四 个 加 法 计数 脉 冲 。 当莫尔条纹下移时，另一组与或非门工作， 4个硅光电池输出信号Ud，Uc和Ub，Ua相位反向依次相差90。工作过程是：(1) 比较器LM339输出Vc高
8、电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Vd通过0的与或非门产生一个减一计数脉冲；(2) 比较器LM339输出Vd高电平，打开相应90的与门，微分电路输出的微分信号Va通过90的与或非门产生一个减一计数脉冲；(3) 比较器LM339输出Va高电平，打开相应270的与门，微分电路输出的微分信号Vb通过270的与或非门产生一个减一计数脉冲；(4) 比较器LM339输出Vb高电平，打开相应0的与门，微分电路输出的微分信号Vc通过0的与或非门产生一个减一计数脉冲；在下移一个莫尔条纹周期中，四极硅光电池通过辨向电路输出四个减法计数脉冲。 可逆脉冲计数电路位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法
9、和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。可逆脉冲计数电路根据加法和减法脉冲累积位移大小和方向；假设位移的距离d，光栅传感器栅距为W，细分数为4，则计数脉冲累积数为N。N .4 （4-3）Wd若光栅 W0.05mm（25 线mm）,d150mm,N12000。可逆脉冲计数电路需要 16 位即 2 字节长；由于 74LS193 是 4 位二进制输出，把四片 74LS193 采用了级联的方式，电路见图 4-32。这样最多可计 65535 个脉冲。放大整形、细分和判向电路输出苻合 TTL 电平的脉冲信号，可逆脉冲计数电路将串行脉冲变换成 16 位的并行二进制数字信号；最后通过 PC 计算机 IO接口卡送入计算机。图 4-32 可逆脉冲计数电路
