精密工作臺的光柵定位測量與控制系統課程設計報告 精密工作臺的光柵定位測量與控制系統課程設計報告班 級 報告人姓名 學 號 指導老師 完成時間 2014年 1 月 3 日 摘 要 隨著現代科學技術的迅速發展，定位測量與控制系統是精密儀器中的一個重要組成部分，特別是對高精度的儀器尤為重要。精密工作臺光柵定位測量與控制系統是一種包括激光干涉儀、光柵、線紋尺、感應同步器、磁柵及碼盤等多個元器件組成的精確地的定位測量與控制系統。本次課程設計提出精密工作臺光柵定位測量與控制系統的設計方案。設計了工作臺的結構。以光柵莫爾條紋為基礎，設計了工作臺的光學系統，采用100線對/mm的光柵尺，即柵距為10um。對莫爾條紋的工作原理、光電轉換技術和細分技術進行了分析。設計了相位跟蹤細分法對莫爾條紋進行20倍細分。利用8051單片機和8253計數器對脈沖進行計數，通過RS232接口實現通訊，并由PID控制器進行實時控制。目前，精密定位測量技術已經相當成熟，但隨著現代工業技術的發展，對精密定位測量的要求也會隨之提高。為了滿足更高的要求，精密定位測量技術不但要達到更高的分辨率，還要適應更復雜的工作環境。關鍵詞：光柵定位系統；光纖光柵傳感器；激光干涉儀；測量控制目 錄第1章 緒論11.1 國外研究發展及現狀11.2 國內研究發展及現狀21.3 測量方法3第2章 總體設計方案52.1 方案構思52.2 運動范圍和精度的實現7第3章 測量方法設計83.1 測量方案框圖8圖2 測量方案框圖83.2 測量原理詳述83.2.1 光柵傳感器83.2.2 光柵莫爾條紋的辨向28113.2.2 軟硬件電路實現12第4章 控制方法設計154.1 控制系統總體方案154.2 控制原理154.3 軟、硬件的實現16第5章 測控電路總設計18第6章 總結21參考文獻22第1章 緒論1.1 國外研究發展及現狀 最早的光柵，要歸功于美國天文學家李敦豪斯（David Rittenhouse，1732 1796）。1786年，他在兩根由鐘表匠制作的細牙螺絲之間，平行地繞上細絲，在暗室里透過它去看百葉窗上的小狹縫時，觀察到三個亮度差不多相同的像，在每邊還有幾個另外的像，“離主線越遠，它們越暗淡，有彩色， 并且有些模糊。”1他實際上制成了透射光柵，還在費城做了光柵實驗。他制作的最好光柵，約為4.3/mm。1801 年楊氏（Thomas Young，17731829）在“光的理論”一文中，介紹了他研究光柵的情況。他利用一塊刻有相鄰間隔約為 0.05mm 的一系列平行線的玻璃測微尺，當作光柵，作了如下的觀察:“讓陽光以45方向入射，當其以某一條刻線為軸旋轉時，可以測出光的偏轉角；我發現最亮的紅線出現在偏轉角為10.5，20.75，32和 45處，它們的正弦之比為1，2，3和4。”21813年，他認識到所觀察到的彩色是由于相鄰刻線的微小距離所致。在光柵發展早期，人們對光柵的認識還只是初步的，在光柵制作上也僅僅是開始償試。3從20世紀50年代至70年代，柵式測量系統從感應同步器發展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。它們有各自的優點，相互補充，在競爭中都得到了發展。但光柵測量系統的綜合技術性能優于其它4種，而且其制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發展最快，技術性能最高，市場占有率最高，產業最大。在柵式測量系統中，光柵的占有率已超過80%，光柵長度測量系統的分辨率已覆蓋微米級、亞微米級和納米級；測量速度從60m/min至480m/min。測量長度從1m、3m至30m和100m。 計量光柵技術的基礎莫爾條紋（Moire fringes）是由英國物理學家L Rayleigh首先提出的。到20世紀50年代才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年，德國Heidenhain首創DIADUR復制工藝，即在玻璃基板上蒸發鍍鉻的光刻復制工藝，可制造出高精度、價格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計量儀器才被廣大用戶所接受，并進入商品市場。1953年，英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統，可以在一個莫爾條紋周期實現4倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術，是光柵測量系統的基礎，并一直應用至今。60年代初，德國Heidenhain公司開始開發光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4m（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉的圓光柵測量系統，可實現1m和1角秒的測量分辨率。1966年又制造出了柵距為20m（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出了AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵，并在光柵一個參考標記（零位）的基礎上增加了距離編碼。1987年，又提出一種新的干涉原理，即采用衍射光柵實現納米級的測量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便地應用于測量系統。現在光柵測量系統已十分完善，應用的領域很廣，全世界光柵直線傳感器的年產量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。在Heidenhain公司的產品銷售額中，直線光柵編碼器約占40%，圓光柵編碼器占30%，數顯、數控及倍頻器占30%。Heidenhain公司總部的年銷售額約為7億歐元（不含Heidenhain跨國公司所屬的40家企業）。國外企業的人均產值在1015萬美元左右，研究開發人員約占雇員的10%，產品研發經費約占銷售額的15%。1.2 國內研究發展及現狀位置檢測技術及數顯技術是我國重點發展和推廣的新技術。多年來在航空航天、精密機械儀器、數顯數控機床等領域得到了廣泛的應用，已成為高科技的組成部分。隨著微電子技術的迅速發展和微處理器的出現，采用電子學細分和數字化處理的方 法對對測量傳感器的節距進行電子細分和誤差修正，以提高測量系統的分辨率和系統準確度已成為可能。20世紀90年代，中國的數顯技術和裝備，從研究開發逐步走向商品化、產品化、國際化，并參與了國際交換和競爭。數顯技術從20世紀80年代以數顯技術改造傳統的機床行業為起點，發展到21世紀以“數顯裝置”裝備了中國的機床產業，使機床的數顯化率達到30%，達到發達國家水平，數顯裝置以經濟適用的價格，普及到整個機床行業，給“中國制造”奠定了基礎。在檢測系統中，光柵占有明顯優勢，有著廣泛的市場前景。4我國在光柵方面的研究起步較晚，始于1960年前后，并在長光柵和圓光柵的制造、應用方面取得了許多成果。但是，我們與當今世界上主要的光柵測量裝置生產廠家相比，（如德國的OPTION。Heidenhain公司、日本的三豐、雙葉、美國的B &L公司等）還有一定的差距，主要表現在：制造精度比較低，批量程度差，品種比較單一。此外，目前發達國家在數控技術方面均投人大量的人力物力，研究和開發了一系列新一代的數控設備，例如，德國的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。雖然我國數年來也不斷對數控技術進行發展，但是出于種種原因且直到到今天我國數控領域依然處于比較落后的局面，我們必須對數控技術不斷加以研究和探索，使整個現代工業加工的基礎領域能有較大的發展，從而使得工業經濟的發展。51.3 測量方法現代精密測量技術是一門集光學、電子、傳感器、圖像、制造及計算機技術為一體的綜合性交叉學科，涉及廣泛的學科領域，它的發展需要眾多相關學科的支持。在現代工業制造技術和科學研究中，測量儀器具有精密化、集成化、智能化的發展趨勢6。就其測量精度而言已由微米向納米提升，而這是離不開測量技術與設備的。 現階段的測量技術主要有：掃描探針顯微鏡（STM）其空間分辨率可達極高（平行和垂直分辨率可達0.1nm和0.01nm），廣泛應用于表面科學、材料科學和生命科學等研究領域；掃描X射線干涉技術是利用單晶硅的晶面間距作為亞納米精度的基本測量單位，加上X射線波長比可見光波波長小2個數量級，有可能實現0.01nm的分辨率；光學干涉顯微鏡包括外差干涉測量技術（光外差干涉輪廓儀具有0.1nm分辨率）、超短波長干涉測量技術、基于FP（FebryPerot）標準的測量技術（具有極高的靈敏度和準確度，精度0.001nm）等；超精密測量電容測微儀其特點是非接觸測量，精度高、價格低，但測量范圍有限，測量穩定性和漂移常令人不滿意；雙頻激光干涉儀-精度高，測量范圍大，因此常用于超精密機床作位置測量和位置控制測量反饋元件，但這種測量方法對環境要求高，對生產機床在時間加工中往往過于苛刻，很難加以保證7。 以上幾種測量技術高造價或者高環境要求，而超精密光柵尺不但有價格便宜，環境要求低的優點外，還具又很多優勢：（1） 測量精度高計量光柵應用莫爾條紋原理，莫爾條紋是由許多刻線綜合作用結果，故對刻劃誤差又均化作用，因此利用莫爾條紋信號所測量的位置精度較線紋尺高，可用于高精度的定位系統。（2） 讀數速率高莫爾條紋的取數率一般取決與光電接收元件和所使用電路的時間常數，取數率可從每秒零至數十萬次，既可用于靜止的也可用于運動的，非常適于動態測量的定位系統。（3） 分辨率高光刻、復制技術和微電子技術的發展以及莫爾條紋細分技術日益成熟，使光柵測量分辨率能達到納米級。（4） 讀數易實現數字化、自動化莫爾條紋信號接近正弦，比較適合與電路處理，故其測量位移的莫爾條紋可用光電轉換以數字形式顯示或輸入計算機，實現自動化且穩定可靠。 另外由光柵產生的莫爾條紋也有優點：（1）將光柵常數非常小的、高精度的、人眼不能直接觀察的光柵放大，可以用人眼或儀器直接觀察到莫爾條紋，測量精度可以達到1m；（2）條紋呈周期變化，便于讀數和消除隨機誤差；（3）光柵尺可以印在塑料薄膜上，成本低，使用方便。第2章 總體設計方案2.1 方案構思本文采用在研制垂直掃描白光干涉表面三維測試系統時設計的一種微位移工作臺。該工作臺采用了粗、精兩級定位機構，測量時大范圍的掃描由步進電機驅動精密絲杠機構完成，納米級的定位則由壓電陶瓷驅動疊層式平行平板柔性鉸鏈機構來實現;以衍射光柵作為位置測量傳感器，反射式衍射光柵貼在工作臺上，符合阿貝測量原則。設計的工作臺可以實現0300 mm的位移范圍，0.5m的定位分辨力。作為理想精密微動工作臺，應滿足下列要求：1) 微動工作臺的支承或導軌副應無機械磨擦和無間隙，使其具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復精度，同時還應滿足工作行程；2) 微動工作臺應具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應具有較高的精度穩定性；3) 微動工作臺應具有較高的固有頻率，以確保微動臺有良好的動態特性和抗干擾能力，即最好采用直接驅動的方式，無傳動環節；微動系統要便于控制，而且響應速度快。本文設計主要由光柵定位傳感器、直流電機和直流電機驅動器等部件組成的閉環控制系統來進行控制。總體設計框圖（圖1）如下：光柵位移傳感器校正方向新號脈沖信號精密工作臺直流電機直流電機驅動器測控電路圖1 總設計框圖從經濟實用角度，本系統的總體思路：直流電機驅動器接收測控電路的脈沖信號和方向信號，并按直流電機狀態轉換表要求的狀態順序產生各相導通或截止信號。因此，直流電機轉速的高低、順轉或逆轉、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無、方向或頻率。直流電機的轉動帶動工作臺進行相應的直線位移。通過光柵位移傳感器測量當前工作臺的實際位移，再把測量到的實際位移反饋到控制電路。控制電路把實際位移與給定位移進行比較，通過實際位移與給定位移的偏差實現對工作臺的位置進行控制。測控電路把輸出通過脈沖信號傳到直流電機驅動器。從而實現對工作臺位移的校正。在控制方法的選取上，典型伺服系統如開環伺服系統、半閉環伺服系統、閉環伺服系統的基本配置、控制原理及控制特點。本系統采用閉環伺服系統以直流電機作為驅動部件，直線電動機的自身質量小，產生的推力由于直接作用在移動物體上，故可得到高效率的驅動特性。由于直線電動機驅動機構僅由兩個互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動部件，也無機械滯后以及螺距誤差，從而可達到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統和軸承。當用全數字伺服系統驅動直線電動機時，可達到高剛度和高固有頻率，從而達到極好的伺服性能。而直流步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，它同時完成兩個工作：一是傳遞轉矩，二是控制轉角位置或速度9。閉環控制系統的優點是控制精度高，抗干擾能力強。缺點在于，這類系統是靠偏差進行控制的，因此在整個控制過程中始終存在著偏差；由于元件存在慣性（如負載的慣性），如參數配置不當，容易引起振蕩，使系統不穩定，甚至無法工作。在測試技術中，傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，它擔負著感受和傳輸信號的重要任務。傳感器的類型是多種多樣的，其優缺點也是各有側重收元件后變為。這里采用較高的系統定位精度（0.01um）、故選擇光柵位移檢測系統。光柵經接周期性變化的電信號，采用邏輯辨向電路區別位移的正反向。利用單片機進行數據處理并顯示結果，軟件采用匯編語言實現。本測量設計的硬件電路主要由光柵位移傳感器、差分放大電路、細分與辨向電路、單片機8051、AD轉換和LED顯示組成。光電檢測器將接收到的光信號轉換為電流信號由光柵傳感器產生兩組信號分別經過差動放大與整形器整形后,輸出脈沖信號然后經過4倍頻與細分電路進入單片機控制系統，從而單片機對輸入脈沖進行計數。當兩塊光柵以微小傾角重疊時在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器。可將光信號轉換為電信號。這樣就可實現位移信號到電信號的轉換。位移一般是從靜止開始移動的。光電信號的最低頻率為零，所以前置放大器采用直流寬帶放大器。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波,采用了由低漂移運放構成的差分放大器。2.2 運動范圍和精度的實現本次設計采用的精度為0.1um，所以在選擇柵距的時候選100線對/mm，其柵距為0.01mm，在經過一個5倍頻信號和4細分電路聯級的細分電路，經細分后的信號經過一個/轉換器，轉成模擬信號，轉換后的信號再次通過1個上述的20細分電路，得到分辨率為0.5m的計數脈沖。計數器選擇1和16位的計數器，經細分后的信號以一個柵距40m為一次計數，25000為置頂，超過25000則計數器置位，反饋量返回單片機，單片機控制工作臺停止運動。第3章 測量方法設計3.1 測量方案框圖 對位移的測量，現在有很多方法，對于精密儀器和測量計量中，采用光柵位移傳感器進行位移的測量。光電檢測器將接收到的光信號轉換為電流信號，由光柵傳感器產生兩組信號分別經過差動放大與整形器整形后，輸出脈沖信號，然后經過細分電路進入單片機控制系統，從而單片機對輸入脈沖進行計數。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋，在條紋移動的方向上放置光電探測器，可將光信號轉換為電信號，這樣就可實現位移信號到電信號的轉換。由于位移是一號，由4個光電器件獲得的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2路信號其相位差為/2，經過整形器后整形為占空比為1比1的方波，由于光柵在作正向或反向移動時，從差放輸出的兩路信號相位差都是/2，將2個信號進行比較，就可以對信號進行辨向。在對信號進行辨向后，辨向后的信號經過細分，達到更高的精度，經細分后的信號通過計數器，實現位移的測量。信號信號轉換電路（D/A）光柵傳感器單片機計數器辯向細分電路圖2 測量方案框圖3.2 測量原理詳述 3.2.1 光柵傳感器光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成（見圖3）。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優點是量程大和精度高。光柵式傳感器應用在程控、數控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。圖3 光柵式傳感器工作原理圖本光柵測量系統的結構是：光柵傳感器為兩個光敏三極管，其輸出是與光柵莫爾條紋對應的、相位不同的近正弦波狀的電信號，再經差動放大、整型、細分、方向辯別等電路，最終送到可逆計數器進行計數。該系統對工作平臺位移的檢測是通過光柵移動產生的莫爾條紋與光電檢測電路配合完成的，并以單片機為核心構成信號處理與開環控制。光柵是一種最常用的測量裝置，具有測量精度高、響應速度快等優點1011。光柵由光柵尺和光柵讀數頭兩部分組成， 光柵讀數頭如圖4所示。標尺光柵指示光柵透鏡光源驅動電路光敏元件圖4 光柵讀數頭將標尺光柵固定在工作臺上，光柵讀數頭固定在機架上。安裝時要嚴格保證兩光柵的平行度以及二者之間的間隙要求（0. 05 0. 1 mm） 12。同一個光柵元件，其標尺光柵和指示光柵的柵距P必須相同。安裝時將指示光柵在其自身的平面內轉過一個很小的角度H，使兩塊光柵的刻線相交，當平行光垂直照射標尺光柵時，則在相交區域出現明暗交替、間隔相等的莫爾條紋。由于兩塊光柵的柵距P相等，產生的莫爾條紋的方向與光柵刻線方向大致垂直，其幾何關系如圖5所示。圖5 莫爾條紋的方向與光柵刻線方向幾何關系 莫爾條紋的寬度W 與光柵線紋的關系為:由于很小， ，則。當標尺光柵移動時，莫爾條紋沿與光柵移動方向垂直的方向移動。當光柵移動一個柵距P時，莫爾條紋就相應準確地移動一個寬度W。因此，只要讀出移過的莫爾明條紋的數目，就可以知道暗光柵移過了多少個柵距。而柵距在制造光柵時是已知的，所以光柵的移動距離就可以通過光電檢測系統對移過的莫爾條紋進行計數、處理后自動測量出來。3.2.2 光柵莫爾條紋的辨向28莫爾條紋的光強度近似呈正（余）弦曲線變化，光電元件所感應的光電流變化規律近似為正（余）弦曲線。經放大、整形后，形成脈沖，可以作為計數脈沖直接輸入到計算機系統中的計數器中計算脈沖數，根據脈沖的個數可以確定位移量。對于普通數控機床改造如果對辨向和細分沒有更多特殊要求，綜合改造成本考慮，可以采用普通辨向電路 13 -14，其原理如圖6所示。當莫爾條紋正向移動時，輸入可逆計數器的脈沖數累加；反向移動時，便從累加的脈沖數中減去莫爾條紋反向移動所產生的脈沖，這樣就可根據計數器顯示的計數脈沖的增加和減少來辨別莫爾條紋的移動方向15。U1U1MUO1可逆計數器觸發器Y1微分整形放大U2UO2整形放大CP反向微分延遲Y2+圖6 普通辨向電路原理其產生波形圖如圖7：圖7 辯向莫爾條紋產生的波形3.2.2 軟硬件電路實現在采用莫爾條紋測量位移的時候，若單純的對一個周期進行計數，則儀器的分辨率就是一個周期，所測得的分辨率較難達到較高要求，因此，需要根據周期性測量信號的波形、振幅或者相位的變化規律，在一個周期內進行插值，也就是細分，從而獲得更高的精度16。電子細分就是把柵距進行N等分，是時間域上通過相對信息的測量達到細分的目的。通過光電轉換，將莫爾條紋轉成點信號，轉換后的電信號。在倍頻法細分電路中，需要結合電阻鏈細分，電阻鏈細分就是將正弦信號施加在電阻鏈的兩端，在電阻鏈的節點上可得到幅值和相位各不相同的電信號，這些信號經整形，脈沖形成后，就能在正余弦信號的一個周期內得到若干計數脈沖，實現細分17。下圖8為五倍頻細分：圖8 五倍頻細分電路整個細分電路由電阻移相網絡、比較器和邏輯電路組成。電阻移相網絡給出10路移相信號，移相電阻去10千歐、24千歐、33千歐、56千歐四種，電壓比較器將10路移相信號與參考信號U1進行比較，將正弦信號轉換為方波信號。從比較器得到的10路信號再經過異或門邏輯組合電路，在41和40處得到相差90的5倍頻方波信號。將5倍頻細分和下圖（圖9）四細分級相聯，可以達到20倍細分18。圖9 四細分電路第4章 控制方法設計4.1 控制系統總體方案控制體統總體方案框圖（圖10）直流電機工作臺單片機反饋裝置圖10 控制體統總體方案框圖作為一個控制系統，有開環伺服系統、閉環伺服系統、半閉環伺服系統和復合控制系統四種控制方式。開環控制系統一般來說結構簡單，比較容易實現，但控制精度往往較低。所謂閉環伺服，就是系統的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，在被控的運動過程中，測量環節不斷測出實際的輸出量和給定的量進行比較，然后用其差值進行控制，以獲取高精度。半閉環系統與閉環伺服的區別在于檢測裝置不是安裝在工作臺上，而是裝在滾珠絲杠或電機軸的端部19-20。復合控制系統21是在閉環控制系統上附加一個對輸入量或對干擾作用進行補償的前饋通路（分別稱為按輸入量補償和按干擾作用補償的復合控制系統）。這次的驅動系統需要用反饋量進行更高的精度，所以選用閉環伺服系統。4.2 控制原理這次精密工作臺定位控制系統就是采用下圖（圖11）所示的閉環系統。系統主要由定位執行機構、檢測裝置和控制裝置三部分組成，定位系統總的操作控制由微機來完成。微機發送目標位移量到單片機中，由單片機中的預置軟件模塊來控制定位執行機構進行位移定位22。單片機控制定位執行機構的同時，檢測裝置不斷地對微位移工作臺位置進行實時檢測，并將檢測到實際位移量信號反饋控制裝置中與目標位移量進行比較，其差值作為新的控制量進一步驅動定位執行機構進行移動定位，直到達到所要求的定位精度為止。干擾輸出量+輸入量控制裝置被控對象-反饋裝置圖11 閉環控制系統工作原理為：先由人為的給定一初始位移W1，通過點偶就轉換為脈沖信號，電信號通過置放大電路，直流電機接受脈沖信號，使直線直流電機開始正轉，直流電機驅動工作臺，工作臺移動位移W2。光柵傳感器通過測量，將測量的W2與W1進行比較，形成反饋量 反饋量再次通過單片機轉為脈沖信號，直流電機通過矯正，達到原定的位移W1。4.3 軟、硬件的實現 定位執行機構作為工作臺實現精密定位的關鍵技術之一，選擇合適的方案顯得尤為重要。由于我們要求微動工作臺具有高速度、高精密，而高速度、大行程勢必給工作臺帶來較大的慣性，很難達到較高的定位精度。為了解決高速度和高精度的矛盾，我們采用伺服電機來執行工作臺之間的鏈接來實現微位移的移動23。 直流電機選用定義輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發電機運行時是直流發電機，將繼續能轉換為電能。圖12為直流電機的驅動電路原理：圖12 直流電機的驅動電路原理 圖中有R1起著總的限流作用，而且引腳內部有上拉電阻，這樣保證電路不會通過太大的電流，在R2的選擇上，R2的上拉作用不但對Q1有影響，而且對Q2的導通也有影響。R2取5.1k。直流電機作為系統的驅動裝置，是整個控制系統中重要的一部分，但是，直流電機還是需要控制裝置來實現。被設計控制系統簡要框圖（如圖13）電機放大電路單片機PC微機反饋信號圖13 控制系統簡要框圖微機作為上位機，通過通用總線與單片機進行通信。單片機作為控制裝置的核心部分，由它來具體執行工作臺的精密微位移控制。單片機只要控制與PC之間的通信和驅動直流電機的轉運24。通信模塊主要完成與上位機的通信，即接收上位機發出的位移信號和返回完成狀態信息，控制功率放大電路驅動電機完成工作臺的移動。本設計控制裝置流程圖（如圖14）中斷路口保護現場讀取位移信息N完成位移移動Y返回狀態信息恢復現場退出中斷圖14 控制裝置流程圖第5章 測控電路總設計系統先由PC微機給定一個初始位移信號，初始信號經過單片機8051轉化成電信號，電信號中可能有其他噪聲，垃圾信號的干擾，需要濾波電路去除不必要的信號，由于信號比較小，為了方便直流電機的讀取，在直流電機前添加放大電路，放大后的信號驅動直流電機的轉動，直流電機帶動工作臺的微位移移動，因為位移的移動，是工作臺上的光柵傳感器接受到光柵的變化，光柵傳感器將光信號轉化為電信號，形成脈沖信號，一個脈沖為一個柵距，由于精度的要求，需要將此脈沖信號進行400細分，達到更高的精度，脈沖信號經過濾波整流后一個5倍頻和4細分電路聯級的20細分電路，此時的信號為數字信號，數字信號經過一個D/A轉化器轉化為模擬信號，模擬信號再次通過20細分電路，達到400細分。細分后的信號有1個控制裝置流程圖，16位的計數器接受，計數器上顯示此時的位移量25。此時信號反饋回單片機，單片機將此時的位移量與初始位移進行比較，將比較后的差值再次送入直流電機，進行更進一步的校正。直線電機放大電路濾波電路單片機PC微機產生位移產生位移計數器產生位移20細分電路20細分電路D/A轉換電路圖15 測控電路總設計在本系統中，單片機起著不可或缺的作用，單片機需要接受并發送原始信號，還要控制計數器對位移信號的測量，測量后的信號再次經過單片機，與初始信號進行比較，比較后重新發送新的信號，矯正系統的產生誤差26。計數時，單片機程序原理如圖16所示：開始接收信號是否為一個完整脈沖YN計數器加1N計數器是否達到25000Y計數結束圖16 單片機程序原理第6章 總結隨著高新技術的飛速發展，為土木工程結構的安全監測提供了新的方法和手段，同時也不斷開拓出新的研究方向和新的課題。光纖光柵傳感器代表了一種全新的傳感技術，將使結構的長期健康監測與完全診斷成為可能，此技術逐漸向商品化發展，其較低成本高使用價值的特性將會帶來相對較高的經濟效益。光纖Bragg光柵在橋梁、通訊、建筑、機械、醫療、航海、航天、礦業等領域都發揮重要作用，所以具有廣闊 的應用前景。光纖Bragg光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就，有關其實用性方面的研究還需要進一步深人。而對于如何檢測傳感光柵Bragg波長的微小偏移，是光纖布拉格光柵傳感器實用化面臨的關鍵技術同時，在知識經濟時代，人們對高科技產品的需求越來越大，而此技術帶來的方便快捷將充分滿足消費者的需求，從而占領越來越大的市場領域27。光纖光柵傳感器的應用 是一個方興未艾的領域，有著非常廣闊的商業發展前景。參考文獻1英哈特雷著. 賈惟義，秦小梅譯. 衍射光柵. 貴陽: 貴州人民出版社,1990. 32 Nahum Kipnis. 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