光電式坐標傳感器的設計

引言

小區(qū)域坐標測量技術有著重要的工程應用價值，坐標傳感器是這一領域的關鍵部件，采用光電元件設計是因為以其高精度、高分辨率、大動態(tài)范圍，利用光敏元件上的光電流隨光強變動而變化這一現(xiàn)象實現(xiàn)幾何增量，設計成光電傳感器，可廣泛地應用于靜態(tài)測量、動態(tài)測量及自動化控制等領域。為了滿足實際工程的需要，小區(qū)域坐標測量技術正逐步受到重視，但是目前關于傳感器應用的文獻中，對此方面論述的不多。本文就傳感器的工作原理、電路設計、及其應用和檢測信息的處理方法進行了論述。

1、光電傳感器工作原理

光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。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。如果在該點有障

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。當沒有障礙物遮擋時，光照到光敏二極管上時，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子——空穴對，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，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導通狀態(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，并將信號處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMLS電路芯片連接。

2、光電傳感器測量位移和方向的工作原理

2.1傳感器的結(jié)構(gòu)設計

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)的強光和弱光信號。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的時序圖，Q2的時序圖道理一樣）圓盤轉(zhuǎn)動方向若向左，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，兩個輸出電壓的相位關系反映圓盤的旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的位移可以通過Q1，Q2輸出脈沖個數(shù)的代數(shù)和得到。

圖1

圖2

2.2傳感器的電路設計

X光敏二極管與Y光敏二極管在相位上相差π/2，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差π/2。當圓盤作正向轉(zhuǎn)動時，X信號超前Y信號。因為電路比較復雜，采用美國Lattice半導體公司推出的ispEXPXRT軟件對CPLD器件進行硬件編程，如圖3所示電路圖是基于CPLD設計的。或門C1產(chǎn)生的信號作為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因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在加減計數(shù)器中作加法運算。當圓盤作反方向轉(zhuǎn)動時，則Y產(chǎn)生的負值信號超前X產(chǎn)生的信號，或門C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q2的置位端只讓Y產(chǎn)生的負脈沖通過，而D鎖存器Q1因為C1作用時X信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q1輸出低電平，門電路在可逆計數(shù)器中作減法運算。這樣就完成了辨向過程。OUT0是輸出，OUT1是進位，Z是控制端輸入。工作原理圖如圖4所示。

圖3

圖4

3、光電式坐標傳感器的結(jié)構(gòu)設計及坐標算法

3.1結(jié)構(gòu)設計

在實際的設計過程中，首先根據(jù)需要設計傳感器的測量精度及范圍。精度可以通過計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，整個傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5

測量結(jié)構(gòu)如圖6所示，由四個光敏二極管(元件1、2、4、6)、兩個光源（發(fā)光二極管3、5）、位移圓盤7、方向圓盤9及傳動軸8組成。將傳感器垂直配置，分別代表位移z和Φ移動方向，組成一個二維傳感器。

圖6

3.2坐標算法

當被測物坐標發(fā)生時，圓盤7轉(zhuǎn)動，光敏二極管4和光敏二極管6通道的信號發(fā)生變化，通過接口電路自動傳輸?shù)接嬎銠C里，計算機自動對輸入通道的信號進行數(shù)據(jù)采集。如果前進或者后退的角度發(fā)生變化，位移圓盤9角度也隨著發(fā)生變化，通過傳動軸轉(zhuǎn)動帶動方向圓盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，使得圓盤9上的狹縫通斷光敏二極管上的光照，發(fā)出與前進或后退相應的電脈沖信號，通過接口電路自動傳輸?shù)接嬎銠C里，對輸入通道的信號進行數(shù)據(jù)采集。并將采集的數(shù)據(jù)進行儲存，形成數(shù)據(jù)庫，以備計算機通過數(shù)據(jù)計算確定自身的坐標位置，并通過相應接口進行數(shù)據(jù)輸出。相對坐標XN、YN計算公式如下：

XN=Z*cosYN=Z*sin

為了確保測量精度，計算機的采樣時間不能太大，應該接近光電傳感器的反映時間，最好同步，或者成倍數(shù)關系。

3.3坐標與電壓的轉(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，狹縫之間的距離可以根據(jù)需要加工，但受到工藝和技術水平的限制，也可以通過計算機特性補償?shù)玫健?/p>

3.4輸入信號的線性化處理

若輸入與輸出量之間為直線性比例關系，稱為線性關系。然而理想的線性關系的傳感器極少。為了實現(xiàn)其線性化可采用電子電路，也可以使用計算機的修正功能。

4、測試結(jié)果

將自行設計的傳感器，應用于足球機器人場地與球門的坐標位置測試，在1.000m×1.000m的平面場地上進行測試，測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)比較如下：