光電式坐標(biāo)傳感器的設(shè)計(jì)

　　引言

　　小區(qū)域坐標(biāo)測(cè)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�度、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(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。為了滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，小區(qū)域坐標(biāo)測(cè)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(cè)信息的處理方法進(jìn)行了論述。

1、光電傳感器工作原理

　　光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測(cè)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(guò)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(méi)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(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，漂移過(guò)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)。

　　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。

2、光電傳感器測(cè)量位移和方向的工作原理

2.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如果將被測(cè)旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)置于光電斷續(xù)器的發(fā)光與受光側(cè)之間，圓盤(pán)上有許多狹縫，圓盤(pán)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(pán)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，光路檢測(cè)的光束沒(méi)有被遮擋，測(cè)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(pán)旋轉(zhuǎn)，雙輸出型的輸出電壓波形如圖2所示，（僅畫(huà)出Q1的時(shí)序圖，Q2的時(shí)序圖道理一樣）圓盤(pán)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(pán)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(pán)的旋轉(zhuǎn)方向，圓盤(pán)的位移可以通過(guò)Q1，Q2輸出脈沖個(gè)數(shù)的代數(shù)和得到。



2.2 傳感器的電路設(shè)計(jì)

　　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�件上取得的信�?hào)必是相差π/2。當(dāng)圓盤(pán)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(guó)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T(mén)C1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(guò)，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(mén)電路在加減計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算。當(dāng)圓盤(pán)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(mén)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(guò)，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(mén)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(guò)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。



　　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

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)需要設(shè)計(jì)傳感器的測(cè)量精度及范圍。精度可以通過(guò)計(jì)算圓盤(pán)上的狹縫密度完成，傳感器圓盤(pán)的形狀及尺寸大小由測(cè)量范圍來(lái)確定，整個(gè)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。


圖5

測(cè)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(pán)7、方向圓盤(pán)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。


圖6

3.2 坐標(biāo)算法

　　當(dāng)被測(cè)物坐標(biāo)發(fā)生時(shí)，圓盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)，光敏二極管4和光敏二極管6通道的信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)接口電路自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)輸入通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果前進(jìn)或者后退的角度發(fā)生變化，位移圓盤(pán)9角度也隨著發(fā)生變化，通過(guò)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)方向圓盤(pán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓盤(pán)9上的狹縫通斷光敏二極管上的光照，發(fā)出與前進(jìn)或后退相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，通過(guò)接口電路自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，對(duì)輸入通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，以備計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算確定自身的坐標(biāo)位置，并通過(guò)相應(yīng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。相對(duì)坐標(biāo)XN 、YN 計(jì)算公式如下：

XN=Z*cos YN =Z*sin

　　為了確保測(cè)量精度，計(jì)算機(jī)的采樣時(shí)間不能太大，應(yīng)該接近光電傳感器的反映時(shí)間，最好同步，或者成倍數(shù)關(guān)系。

3.3 坐標(biāo)與電壓的轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)光——電轉(zhuǎn)換原理，輸出的電壓變化規(guī)律也正好是周期變化，變化的靈敏度與狹縫之間的距離有關(guān)，狹縫之間的距離可以根據(jù)需要加工，但受到工藝和技術(shù)水平的限制，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)特性補(bǔ)償?shù)玫健！　　　?

3.4 輸入信號(hào)的線(xiàn)性化處理

　　若輸入與輸出量之間為直線(xiàn)性比例關(guān)系，稱(chēng)為線(xiàn)性關(guān)系。然而理想的線(xiàn)性關(guān)系的傳感器極少。為了實(shí)現(xiàn)其線(xiàn)性化可采用電子電路，也可以使用計(jì)算機(jī)的修正功能。

4、測(cè)試結(jié)果

　　將自行設(shè)計(jì)的傳感器，應(yīng)用于足球機(jī)器人場(chǎng)地與球門(mén)的坐標(biāo)位置測(cè)試，在 1.000 m×1.000 m的平面場(chǎng)地上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較如下：



　　上圖表明在較小的區(qū)域內(nèi)，采用低成本的組合傳感器完成坐標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)，并且輸出比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5、結(jié)論

　　通過(guò)本文給出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出光電式坐標(biāo)傳感器，它具有集成化特點(diǎn)，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。因此，光電式坐標(biāo)傳感器具有廣泛的實(shí)用性。缺點(diǎn)：測(cè)量中注意傳感器測(cè)量地連續(xù)性，不可中途中斷使用，需要專(zhuān)業(yè)安裝技能，光源應(yīng)與使用場(chǎng)合匹配。需要今后在此方面不斷的努力，改進(jìn)和完善坐標(biāo)傳感器的功能。