引言 7[V'3
x2TCw 小區(qū)域坐標(biāo)測量技術(shù)有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值，坐標(biāo)傳感器是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，采用光電元件設(shè)計(jì)是因?yàn)橐云涓呔�、高分辨率、大�?dòng)態(tài)范圍，利用光敏元件上的光電流隨光強(qiáng)變動(dòng)而變化這一現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何增量，設(shè)計(jì)成光電傳感器，可廣泛地應(yīng)用于靜態(tài)測量、動(dòng)態(tài)測量及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。為了滿足實(shí)際工程的需要，小區(qū)域坐標(biāo)測量技術(shù)正逐步受到重視，但是目前關(guān)于傳感器應(yīng)用的文獻(xiàn)中，對(duì)此方面論述的不多。本文就傳感器的工作原理、電路設(shè)計(jì)、及其應(yīng)用和檢測信息的處理方法進(jìn)行了論述。
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)P.|Xk:r 1、光電傳感器工作原理 %P9Zx!i> B)"WG7W E 光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。常用的光電傳感器是采用發(fā)光二極管作為光源，光源經(jīng)過透鏡聚焦于空間某一點(diǎn)。如果在該點(diǎn)有障礙物，光就照不到光敏二極管上，電路處于偏置狀態(tài)，PN結(jié)截止，反向電流很小。當(dāng)沒有障礙物遮擋時(shí)，光照到光敏二極管上時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，并在外.電場和內(nèi)電場的共同作用下，漂移過PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照強(qiáng)度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
|^@TA=_ VG\ER}s&P 具體方法是在光源側(cè)使用發(fā)光二極管，在受光側(cè)使用光敏二極管，并將信號(hào)處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點(diǎn)是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復(fù)雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMLS電路芯片連接。
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| fr\UX }o 2、光電傳感器測量位移和方向的工作原理 >[Q(!Ai .|{*.YE 2.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
,[^P 1}!f.cWV( 如果將被測旋轉(zhuǎn)圓盤置于光電斷續(xù)器的發(fā)光與受光側(cè)之間，圓盤上有許多狹縫，圓盤旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光間隔地被狹縫遮擋，受光側(cè)得到斷續(xù)的強(qiáng)光和弱光信號(hào)。如圖1所示，若旋轉(zhuǎn)圓盤沒有旋轉(zhuǎn)，光路檢測的光束沒有被遮擋，測量電路中，X光敏二極管上輸出電壓波形，Y光敏二極管上的輸出電壓波形是相同的，相位是相差π/2的。若圓盤旋轉(zhuǎn)，雙輸出型的輸出電壓波形如圖2所示，（僅畫出Q1的時(shí)序圖，Q2的時(shí)序圖道理一樣）圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向若向左，Q2輸出電壓相位落后被屏蔽；反之，圓盤向右旋轉(zhuǎn)，Q1輸出電壓相位超落后被屏蔽。因此，兩個(gè)輸出電壓的相位關(guān)系反映圓盤的旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的位移可以通過Q1，Q2輸出脈沖個(gè)數(shù)的代數(shù)和得到。
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圖1
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圖2
2.2 傳感器的電路設(shè)計(jì)
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X光敏二極管與Y光敏二極管在相位上相差π/2，所以它們?cè)诠怆娫先〉玫男盘?hào)必是相差π/2。當(dāng)圓盤作正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， X信號(hào)超前Y信號(hào)。因?yàn)殡娐繁容^復(fù)雜，采用美國Lattice半導(dǎo)體公司推出的ispEXPXRT軟件對(duì)CPLD器件進(jìn)行硬件編程，如圖3所示電路圖是基于CPLD設(shè)計(jì)的�；蜷TC1產(chǎn)生的信號(hào)作為D鎖存器Q1的置位端只許X產(chǎn)生的正脈沖通過，而D鎖存器Q2因?yàn)镃1作用時(shí)Y信號(hào)尚在低電平，信號(hào)被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在加減計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算。當(dāng)圓盤作反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則Y產(chǎn)生的負(fù)值信號(hào)超前X產(chǎn)生的信號(hào)，或門C1產(chǎn)生的信號(hào)作為D鎖存器Q2的置位端只讓Y產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過，而D鎖存器Q1因?yàn)镃1作用時(shí)X信號(hào)尚在低電平，信號(hào)被屏蔽，Q1輸出低電平，門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。這樣就完成了辨向過程。OUT0是輸出，OUT1是進(jìn)位，Z是控制端輸入。工作原理圖如圖4所示。
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圖3
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圖4
3、光電式坐標(biāo)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及坐標(biāo)算法 @v2kAOw[
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3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) J(-#(kMyf
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在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)需要設(shè)計(jì)傳感器的測量精度及范圍。精度可以通過計(jì)算圓盤上的狹縫密度完成，傳感器圓盤的形狀及尺寸大小由測量范圍來確定，整個(gè)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
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圖5
測量結(jié)構(gòu)如圖6所示，由四個(gè)光敏二極管(元件1、2、4、6)、兩個(gè)光源（發(fā)光二極管3、5）、位移圓盤7、方向圓盤9及傳動(dòng)軸8組成。將傳感器垂直配置，分別代表位移z和Φ移動(dòng)方向 ，組成一個(gè)二維傳感器。
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