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开发一种使用光学光栅传感器测量枪筒内径的新型装置
Tang Liwei Zhang Qingfeng Wang Wei
(石家庄机械工程学院)
摘要：
针对测量枪管内径的技术现状，我们提出了一种提高枪管内径测量精度的技术。所开发的光栅测量装置克服了传统光栅测量装置的局限性，解决了传统光栅测量装置计数不准确的难题。结果表明，使用光栅传感器的测量技术具有广泛的应用前景。
关键词：光纤光栅传感器 测量装置 枪筒 内径
1 介绍
这是检查弹道轨迹以测量枪管内径的重要任务之一。目前有一些用于测量枪管内径的初级测量装置：机械测量内径装置，光学测量内径装置，电感测量内径装置和光栅测量内径装置。
通常机械测量内径设备使用的都是游标卡尺读取数据。它的优点是操作简单，但是它的缺点是太笨重，并且测量出来的数据也只有较低的精度。光学仪器测量内径装置是通过使用望远镜观察两个光学透镜的相对位移来读取枪筒的内径的数据。该装置的缺点是自动化程度较低，因此故障概率较高。电感测量内径装置使用电感传感器读取枪管的内径的数据。它的优点是较低的劳动强度操作，但由于电感传感器的线性误差，使得测量出来的结果并不能确保精度。光栅测量内径设备使用光栅传感器读取枪管内径的数据。测量数据被采样并由计算机进行处理，因此具有更高的自动化程度。光栅测量内径装置也有着一些缺点，它不能太快移动，当尺寸变化较大时不适用，否则计数不准确。
在本文的讲解中，通过改进机械结构和电子设备，开发了一款使用光栅传感器的枪管内径的新型测量装置。该设备具有一些良好的特性，包括稳定性，精度，工作效率和实用性。
2 系统构成
测量系统主要由仪器的头部，数字显示器，计算机和信号传输电缆组成。
该装置的头部用于测量枪管内径的变化，这种变化转化为光栅传感器的变化。
信号传输电缆可将信号传输到数字显示器和计算机。
一个可以在LCD显示屏上显示测量数据的数据显示。
一个可以控制采样，管理，保留和打印测量数据的计算机。
3 工作原理
3.1机构传动原理
该装置的头部由绳索，支撑，复位弹簧，导杆，导向护套，测量杆等组成。
图1 仪器的头部
当装置的头部进入枪管时，支撑件可以确保陀螺的轴线与枪管的轴线同心，并且装置的头部的轴线与陀螺的轴线垂直。领先的护套可以在导杆上自由滑动。测量杆抵抗枪管壁并与光栅传感器连接。当枪管内径尺寸改变时，测杆将驱动光栅传感器。测量信号由光电元件接收并由电路处理，然后枪管内径的变化可以计算出来。
3.2光栅传感器原理
测量装置使用光栅传感器作为测量枪管内径的感测部件。光栅传感器由灯箱，透镜，主光栅，指示光栅和光电元件组成。光栅组由主光栅和指示光栅组成。指示光栅比主光栅短，它们的光栅宽度相同。光栅组放置在灯室和透镜之间的平行光束中。当主光栅和指示光栅之间存在小角度时，在垂直光栅方向上将存在较宽的条纹。当主光栅在垂直光栅方向移动栅格时，条纹在栅格方向移动条纹空间。使用光电元件接收条纹信号。
3.3电气设备
光栅装置的电气设备是由光栅传感器，数字显示器，计算机和打印机组成的。数字显示适合充电电池，充电电路，LCD显示，自动控制到直接开关电路，输入插孔和USB输出插孔。所有这些都集成在铝合金设备箱中。数字显示器的电源可以由220V交流电源或充电电池提供。使用220V交流电源时，电池可以同时充电。在控制板上有校准复位按钮，数据存储按钮和自动控制到直流转换开关。此外，还有充电和放电指示灯，蜂鸣器和计算机的USB输出插孔。
4软件研究
为了实现数据采样和自动信号处理的目的，我们在Visual Basic 6.0环境下开发了测量系统的软件。已采用调制解调器模块技术和面对对象技术。与EXCEL的通信已通过OLE技术实现。测量数据使用EXCEL中的Visual Basic for Application（VBA）进行管理和控制。
5 结论
在本文中，我们已经开发了一个使用光栅传感器的枪管内径的新型测量装置。测量枪筒内径范围得到了扩展。并且测量精度先进。可靠性也有很大的提高。测量软件得到了更新，这使得操作更加的简单快捷。枪管内径测量水平也得已提高。
参考文献
[1] Ji Z,Leu M C.Design of optical triangulation devices.1989,210(5)
[2]Shun Zelin , The Manufacture for the Machinery and Power-generating Measurement System for Inner Diameter of the Small Caliber Gun Barrel .Dissertation for the Mastered Degree in Engineering ,Ordance Engineering College,2004,in Chinense.
[3]Liu Yan,Optical grating dynamic measuring apparatus Optical exact engineering,1993(2),in Chinense
作者简介
唐立伟：教授，已经完成10个科学项目研究以及62篇发表论文。
2010网络与数字社会国际会议
基于现场可编程门阵列的光栅尺 信号
Xia Yuqin Zhang Yong
贵州大学 贵州大学
计算机科学与信息学院 理工学院
摘要：
作为高精度测量位移传感器，光栅尺已被广泛使用。在本文的描述中，我们提出了一种结合现场可编程门阵列（XC3S100E）设备，硬件描述语言（Verilog）和EDA软件（XILINX ISE）来处理光栅尺的输出信号的方法。整个处理系统由三部分组成：信号预处理模块，细分和方向判断模块，可逆计数器模块。我们的分析和仿真结果表明，这种方法得出的测量结果比传统方法更可靠，开发周期也缩短了不少短。此外，我们可以根据现场可编程门阵列的具体特性轻松修改系统的功能以达到目标需求。
关键词：光栅尺 现场可编程门阵列 细分 方向判断
1 介绍
光栅尺（也称为增量光栅位移传感器）是一种使用光栅和光电转换的莫尔条纹技术的高精度位移测量工具。光栅的位移测量结果可以使用光栅尺以数字形式表示。它具有很多优点，如稳定性，可靠性，高精度和测量范围，使用方便。因此，它可以广泛应用于投影仪，图像仪，工具显微镜和电荷耦合装置测量仪器[1]。此外，为了质量检测的目的，光栅尺也可用于工件的精度测量。
近年来，光栅测量系统比其他测量系统具有更显着的优势，该系统在国际市场占有较大比重。我国光栅精密测量技术的研究很晚。同时，随着数控的发展，精度和速度对于数控系统来说是更加的重要了。这也同时导致了光栅的高精度对于可控存储组件也更重要[2]。在相同程度上，光栅的接口电路将会影响测量系统的精度和稳定性。可以有许多方法来处理光栅信号，比如说：标准逻辑器件，数字信号处理，单片机等。然而，这些方法需要硬件电路来提供功能修改和调试[3]。这样导致的结果是，这些方法在一定程度上增加了测量的难度。为了拓展市场，满足客户需求，本文对位移测量仪器进行了研究，它可以收集规模位置数据，过程数据，以及显示和传输数据。
2 电路结构中的设计
与光源一起，通过两个长光栅（移动脚和长度）和光电检测器组成光栅传感器，我们通常称之为光栅尺。来自光栅的输出信号是电信号。当移动脚移动一个间距时，输出电信号将改变一个周期的相位。然后，它通过测量信号周期的变化来测量脚和长度的相对位移的大小[1]。现在，光栅尺的典型输出信号是A和B的两个相位方波脉冲，它们在内部结构中属于TTL（Transistor-Transistor Logic晶体管-晶体管逻辑（电路）），两个相位差为90°。如图1所示，A和B相的脉冲数代表光栅的位移值。A相被认为是主信号，B相是代表信号，两个信号具有相同的周期，这表明光栅的正向和反向运动。[4]
图1：光栅尺输出信号
随着大规模可编程逻辑器件（PLD）（CPLD：复杂可编程逻辑器件; 现场可编程门阵列：现场可编程门阵列）的快速发展，传统的电路设计方法已经发生了翻天覆地的改变。许多传统的逻辑电路都可以用大规模可编程逻辑器件代替，这可以提高系统的可靠性，减少印刷电路板面积，使产品小型化，这样有利于保护知识产权。使用EDA（电子设计自动化）技术设计可编程逻辑器件已成为现代电子设计的必然趋势[6]。本文所描述的电路是基于现场可编程门阵列的电路。系统的硬件框图如图2所示。
图2：硬件系统框图
本文详细介绍了光栅输出脉冲信号的硬件和软件设计，换句话说，就是将光栅的脉冲信号转换为位移信号。系统的硬件由XIL3X公司的SPARTAN 3E产品现场可编程门阵列 XC3S100E组成。系统软件由信号预处理模块，细分和方向判断模块，可逆计数器模块三部分组成。在设计过程中，首先Verilog HDL是主要的编程语言，其次是综合软件环境XILINX ISE综合仿真测试，最后将调试结果下载到现场可编程门阵列中。实验表明，光栅的工艺满足设计要求。而光栅信号的全部处理是在现场可编程门阵列中，这使得系统更紧凑，更稳定可靠。
3 光栅尺输出信号的预处理
光栅的输出信号是双向差分信号，与普通单端信号相比，差分信号有两个最明显的优点：（1）抗干扰能力强。由于两个差分信号之间的耦合良好，当有外部噪声时，几乎同时被耦合成两条线路，而接收机只关心两个信号之间的差异，因此外部的共模所产生的噪声可以完全偏移[5]。（2）有效抑制电磁干扰。由于相同的原因，由于两个相反的极性信号，来自两个信号的外部辐射电磁场可以到达和相互消除，更紧密耦合，以及更少的电磁能量泄漏到外部世界。通过差分线路接收差分信号和合成，其中我们使用的是TI的MC3486芯片。如图3所示。
另一方面，当光栅传感器工作时，会产生噪声信号。光栅尺的输出信号会有一些尖锐的波[7]。尖锐波的出现将导致现场可编程门阵列的误判，从而影响计数的精度，降低光栅的精度。因此，必须通过对来自光栅的脉冲信号进行滤波来消除尖波。
滤波的原理如下：一般情况下，尖波的持续时间远远大于一个周期小，所以我们认为输入电平是有效的，只有当输入电平持续了足够的时间，否则，输入电平是干扰，那么我们不改变输出信号[8]。实验结果表明，预处理电路不仅可以减少尖脉冲对输入信号的负面影响，而且还可以提高系统的抗干扰性能。
输入脉冲信号通过触发器，并且触发器的时钟CLK的延迟可以克服尖波和噪声信号。延迟的时钟的数目与噪声信号的脉冲长度有关，需要通过多次测试来合理地选择时钟。在仿真过程中，应注意输入信号A，B和时钟之间的频率设置。否则，模拟将失败。
图3：预处理电路
3.1光栅尺输出信号的过程
A.细分和方向判断
在光栅信号处理的过程中，改进光栅测量精度的最重要的步骤是细分和方向判断光栅尺的信号。目前，通常的光栅传感器测量精度为5mu;m，但这样的精度是不能满足现代精密光栅在磨床生产的零件检测中的需要的，比如在刻痕机中需要0.1mu;m的精密光栅[6]。为了实现更高的精度要求，它是如何提高测量系统分辨率的关键技术。可以提高光栅系统的分辨率，从而提高光栅密度和光栅的多个段。由于光栅密度受到技术的限制，光栅的线数越多，其对应的价格也就越贵[7]。采用细分电路来改善光栅分辨率而不增加纸张中的光栅线。可以从图1实现的光栅中信号A和B的关系如下所示：
- 当光栅移动时，A相的光栅输出信号超前B 90°相位大小。因此，在一个循环中，在两个阶段中有4次相对变化：00→10→11→01→00。当两个相邻信号出现在四组信号中时，可以判断光栅尺是正移动并且频率电路增加脉冲。
- 当光栅反向移动时，A相的光栅输出信号落后于B 90°相位大小。所以在一个循环中，在两个阶段也有4倍的相对变化：00→01→11→10→00。当两个相邻信号出现在四组信号中时，可以判断光栅尺反向移动，并且频率电路增加脉冲。
- 随着线路被干扰或发生故障，还有其他状态转换过程，并且计数器不计数。
因此，我们可以得到关于光栅运动的状态转换图，如下图4所示。“ ”和“ - ”表示计数器的加/减1，“0”表示计数器不工作。
图4：状态转换图
B.可逆计数器
当A信号跳变时，模块检测到B信号。如果B信号为高电平，表示光栅尺正向移动，计数器加1，否则表示光栅尺在负方向移动，计数器将相应减小1
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