基于光栅传感器的高精密直线位移测量及误差分析

基于光栅传感器的高精密直线位移测量及误差分析

杨乾，高龙飞，拜博晨，黄利飞，吴松林

（西京学院机械工程学院，陕西西安，710123）

基金项目：陕西省大学生创新训练计划项目“快递自动取货机的原理及结构创新设计”（127152017015）；国家级大学生创新训练计划项目“高精度光栅直线位移测量装置设计”（201812715005）的资助。

摘要：为实现快递自动存取装置直线角位移的精密测量，基于光栅传感器，本文详细分析了实现高精密位移测量的基本原理及实现方法，设计了四倍频辨向电路及相应的模拟电路，包括光栅传感器计数和结果显示模块。为实现纳米级的位移测量，以51单片机作为控制核心设计了相应的软件系统，实现了光栅信号的实时显示及处理。最后，本文分析了系统误差的来源，并进行了详细的位移测量误差分析。实验结果显示，系统能够实现精密位移测量，并可以有效地应用于以位移测量为主的精密测量仪器中。关键词：光栅；快递存取终端；四倍频电路

DOI:10.16589/j.cnki.cn11-3571/tn.2019.07.025

0 引言

近年来基于光栅传感器的精密测量技术在测试仪器、坐标测量机、高精度精密加工等领域都得到了广泛的应用。实际应用中，作为光栅传感器的主要部件，光栅读数头易受到机械振动的影响，导致其输出脉冲方波质量差。从微观的角度来说，即使单片机控制步进电机的方波脉冲是恒定的，但步进电机的运行速度也存在微小的变化。另外，受温度、湿度等外界条件的影响，机械零部件也会发生微小的形变，这些因素叠加起来反映在光栅读数头上，其发出的脉冲方波的周期不恒定，占空比不均，严重的会丢失脉冲，极大地影响位移测量精度。一般，为提高分辨率及测量精度，往往采用四倍频电路，使光栅读数头的脉冲输出更准确，缓解其丢失脉冲的现象[3]。企业中常采用软件四倍频，软件四倍频的硬件电路简单且编程思路清晰，易于实现，但缺点是效率低，响应速度低，可靠性差。而硬件四倍频的硬件电路虽然复杂，但是效率高，稳定性好且不占用单片机的时间。

本文基于光栅传感器设计了一个高精密位移测量的实验装置。实验装置采用性价比较高的51单片机作为控制核心，实现了非接触式高精密直线位移测量的需求，可作为测试仪器及相关设备的进给装置使用，实用性较强。为实现高精密的直线位移测量，设计了优化的四倍频辨向电路，在保证基本功能的前提下，运用了全新的芯片，简化了电路，减少了芯片的数量，提高了电路的可靠程度, 可以实现纳米级直线位移测量。

高精密测量。经过单稳处理后的信号保持了方波的完整性，采用双4选1数据选择器U3，使电路更加简单，可靠性增加，抛弃了传统单稳四细分辨向电路的与或非门，减少了芯片的数量，提高了信号输出的稳定性，四倍频电路图如图1所示。

图1 优化的四倍频辨向电路

光栅传感器输出四路方波信号A+、A-、B+、B-，A+信号与B+信号相差π/2个相位，A-与B-为A+与B+的差分信号，光栅传感器的四路信号输送给四倍频辨向电路，四倍频辨向电路把经过处理的信号变为两路信号，一路为四倍频脉冲方波信号，另一路为方向信号，两路输出信号分别为双4选1数据选择器U3的7管脚1Y与9管脚2Y。当光栅传感器右行时，双4选1数据选择器U3的7管脚1Y输出四倍频脉冲方波，9管脚2Y输出高电平的方向信号；当光栅传感器左行时，双4选1数据选择器U3的7管脚1Y输出高电平方向信号，9管脚2Y输出四倍频脉冲方波；之后，输出的两路信号传输给单片机，单片机经过计数后输出对应的值。

四倍频辨向电路的设计进行了仿真，仿真出的四倍频辨向处理前后波形图如图2(a)及(b)所示，图2(a)所示为A+、B+两相信号的波形图，图2(b)所示为四倍频辨向处理

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1 四倍频辨向电路设计

光栅传感器选用美国进口GSI Mercury 5500光栅传感器，对于光栅输出信号的采集和处理采用51单片机开发板和四倍频硬件电路来完成，CPU选用STC89C52RC作为控制芯片。四倍频辨向电路的应用可以在不改变光栅传感器硬件的前提下，有效缓解了光栅传感器丢失脉冲的现象，并且在不增加成本的情况下，提升4倍的分辨率，有利于实现

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后的脉冲信号与方向信号波形图。

(a)

(b)

图2 四倍频前的原始波形图及仿真结果

系统显示模块采用图形点阵液晶显示器LCD12864和LCD1602，由行驱动器、列驱动器及点阵液晶显示器组成。系统显示模块与单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式，如图3所示。

图4 直线位移测量程序流程图

2 软件设计与流程

基于光栅传感器的高精密直线位移测量的单片机控制程序流程如图4所示，控制部分采用两个STC89C2RC单片机开发板分别控制电机和光栅读数头的计数。控制电机的开发板1上安装有LCD12864液晶屏用来显示步进电机的运动状态。当电机驱动滑块触发两端的限位开关时，蜂鸣器会报警，如果处于自动模式，电机会向相反的方向运行；如果是手动模式，则电机停止运行。光栅计数开发板2上安装有LCD1602液晶屏用来显示滑块运行的距离，默认电机向右运行时为正方向。在此方案基础上，拟进一步和公司技术人

员进行交流，根据企业测试、演示工作的要求进行适当修改。

电气部分包括42HS02步进电机、DM320C步进电机驱动器、HT20-D3开关电源、GSI Mercury 5500光栅传感器、欧姆龙限位开关和四倍频数字电路。开关电源接220V交流电，输出两路直流电，分别是24V和5V，24V电源接步进电机控制器，5V给四倍频电路供电，保证输入电压和电流的稳定。步进电机的A和B相接入步进电机驱动器的输出端，单片机IO口接步进电机驱动器的输入端。光栅传感器因为步进电机的运动输出脉冲方波，经四倍频数字电路处理后输出四细分脉冲信号和方向信号传输给单片机的外部中断口。光栅传感器读数头通过步进电机带动滑块运动产生

直线位移从而发出方波脉冲信号，方波信号分为两种类型：方向信号与零位信号。方向信号有四路，分别是：A+、A-、B+、B-。A和B的信号对应位置相差π/2个周期。零位信号有两路，分别是：Z+、Z-。其中对应的正负符号表示同一种信号的差分信号。方向信号通过四倍频电路处理后输入单片机进行脉冲计数，原始的零位信号不做处理，如图

图3 显示模块与单片机的接线原理图

5所示。

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图7 光栅直线位移测量误差的来源

图5 光栅传感器信号处理流程图

应对栅距误差有一定的补偿，一般该误差可以忽略不计。

在机械系统中，工作台一端在导轨上滑动，另一端是悬空(指示光栅在该端)。导轨通过沉螺栓与机座固定，由于安装孔的加工工艺以及安装等原因，使导轨产生扭曲变形，当工作台经过一个安装孔其受力变化会导致变形，该变形会对测量位移产生影响，加之长期摩擦产生的磨损，进而对测量结果带来影响。

信号方面产生的误差分为细分误差和随机误差，其二者很容易通过频谱分析和低通滤波进行分离，不随量程变化而积累，在做出相应处理后可以消除影响。

此外，环境因素中的温度变化对栅距的影响也是栅距误差主要因素。栅距误差在高精度测量时应进行修正。

实验测试结果显示，滑块在导轨上的运行区间大约为60mm，未经四倍频的满量程输出120000±3000个脉冲，对应滑块运行区间为59�85mm~60�15mm，满

图6 光栅传感器波形变化示意图

量程绝对误差为150um，光栅传感器的实际分辨率为50nm。在加入四倍频辨向电路后，实际测得满量程输出480000±3500个脉冲，大致可以算得滑块运行区间为59�96mm~60�04mm，误差为43�75um，光栅传感器的实际分辨率为12�5nm，基本是使用四倍频以前误差的四分之一。可见，四倍频技术对于光栅位移测量的精度提高功不可没，是有效的解决光栅读数头丢失脉冲现象的办法之一。

图6所示为实际测量得到的传感器输出波形及处理后的信号。光栅传感器原始信号波形为方波脉冲（A、B两路方波信号相差π/2个周期），其通过A、B信号的先后顺序进行辨向。经过四倍频电路的处理（四细分与辨向的优化）后，输出一路频率提高四倍的方波脉冲与一路电平信号，两路信号通过交换输出完成辨向。可以看出，四倍频技术使得光栅传感器的分辨率提高了四倍，并且使信号更稳定，出错率大大降低。

4 结论

本文详细分析了实现高精密位移测量的基本原理及实现方法，设计了四倍频辨向电路及相应的模拟电路，包括光栅传感器计数和结果显示模块，实现了纳米级的直线位移测量。最后，本文分析了系统误差的来源，并进行了直线位移测量误差的来源分析。实验测试结果显示，系统能够实现精密位移测量，并可以有效地应用于以位移测量为主的精密测量仪器中。

（下转第100页）

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3 系统测试与误差分析

光栅传感器直线位移测量误差来源主要包括四方面，即传感器自身误差、机械系统误差、信号处理误差和环境误差，如图7所示。

传感器误差包括栅距误差和栅线划刻误差，其中栅线划刻误差又分为单线刻制误差和累积误差。莫尔条纹的平均效

实验研究

单片机内部电路的抗干扰能力，这样能够有效的提升单片机的可靠度。最后单片机的可靠度很容易受到振动的影响，所以也需要提高单片机的抗振能力，这样也能有效的提高单片机的可靠度。另外单片机的可靠度跟单片机工作环境有关，因为单片机不适合在高温下工作，所以当单片机工作温度过高，需要对单片机进行散热处理。因而在单片机的结构设计时，适当的把内部结构简化，这样可以有效的降低单片机内部的温度。

片机系统采集到的数据进行额外的备份，这样即使采集到的数据丢失后也能够在备份中找到。此外这个设计也可以在一些程序后添加一些相关指令，当程序中的代码出现跑飞的情况时，可以使得跑偏的程序不会错误的执行，这样可以有效的提高程序的准确性，进而提高单片机的可靠度。■ 2�4 一些注意事项

只有把软件设计的几个关键点掌握好，才能够编写出可靠性高的程序。最主要就是在对单片机系统的硬件和软件有足够的了解之后，能够准确把握单片机程序的内存和CPU，这样才能保证程序运行的准确性和稳定性。并且软件工程师在编写程序时需要对一些相关的代码进行解释，使其他人员容易看懂程序，并且在程序出现问题时也能准确快速的找到问题所在。另一方面，程序员需要对编写程序的中断进行处理，可以进行相应的程序划分，把程序编写得清晰明了，便于今后的故障处理。系统中的程序容易被一些外部的噪声干扰，出现运行问题，设计程序时就需要减少循环等待。如果能够保证以上几点，就能够编写出可靠度高、运行稳定的程序。

2 软件层面影响单片机可靠性的设计

■ 2�1 单片机的数字滤波设计

在单片机投入使用前，需要对里面的系统的相关数据进行采集。由于数据的采集过程比较困难，所以很难采集到准确的数据。主要的原因是因为数据采集时很容易受到客观因素的影响，所以经常出现数据失真，最终单片机不能准确进行控制。为了让单片机能够有比较高的可靠性，需要对采集到的信号进行滤波处理，把一些采集到的干扰信号过滤，最终可以得到准确的数据，这样就可以通过软件处理的方法来提高单片机的可靠性。■ 2�2 单片机的复位设计

单片机在使用时很容易受到电磁的干扰，从而使得单片机不能够正常的使用。出现这种情况通常是因为系统的程序出现了故障，此时就需要进行复位操作，使得系统程序重新开始启动，才不会一直处于死循环的状态。还有一种情况就是当程序处于死循环的状态时，上面的操作就起不到作用了，因而需要一个特定的程序对这种死循环进行处理，能够让系统重新运行，这个程序被称为看门狗。有了这个程序后就能够大大的提高单片机使用的可靠性。■ 2�3 单片机的冗余设计

即使单片机受到干扰后程序不会出现问题，能够正常的采集数据，有时也会出现采集到的数据丢失的情况。此时就需要冗余设计来防止数据丢失，此设计的目的就是能够把单

（上接第69页）参考文献

＊ [1]胡国良� 绝对式光栅传感器关键技术的研究[D]�吉林大学,2017�

＊ [2]乔栋� 高精度绝对式光栅尺测量技术研究[D]�中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2015�

＊ [3]李素云� 纳米精度计量光栅传感器的理论研究[D]�安徽大学,2006�

＊ [4]丁红昌� 绝对式单码道线位移光栅传感器原理与实现[D]�长

3 总结

通过以上的说明可知，在单片机的整个部件中可靠度是它的关键因素，也是决定单片机质量好坏的指标。相关的单片机开发人员要想开发出高质量的单片机系统可以从硬件和软件两个方面进行改进，并且根据具体的工作环境设计出最为合适、可靠的单片机系统。

参考文献

＊ [1] 刘刚� 单片机应用系统的可靠性设计原则及应用[J]� 江西科技师范大学学报2002(6):147-148�

＊ [2] 朱敏, 任俊新� 单片机应用系统的可靠性设计[J]� 测控技术, 2008, 27(10):89-90�

＊ [3] 郑蕾, 郭伟, 郝继飞� 单片机应用系统软件可靠性设计[J]� 微机发展, 2003, 13(8):77-79�

春理工大学,2016�

＊ [5]刘春燕� 基于USB的光栅传感器接口卡的研制[D]�哈尔滨工业大学,2006�

＊ [6]郭晓聪� 精密光栅线位移传感器结构优化研究[D]�中原工学院,2015�

＊ [7]汤攀,张厚武,付惠茹� 基于FPGA光栅位移测量系统的设计[J]�电子技术与软件工程,2017,(09):93-94�

＊ [8]J Zhu, X Cai, Y Chen et al�� Theoretical model for angular grating-based integrated optical vortex beam emitters� [J]� Optics letters, 2013, 38(8)�

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