CN105937880A - 一种光栅微小位移检测装置 - Google Patents

Abstract

一种光栅微小位移检测装置，包括光栅位移传感器、电路模块、主控模块及显示；光栅位移传感器包括光源、标尺光栅、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路，标尺光栅与基座相连接；光源、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路集成在一起，作为光栅读数头，与运动部件相连接；电路模块包括差分放大电路、滤波电路、整形与判向电路，用于判断位移方向；主控模块对光栅位移传感器测量的脉冲信号进行计数处理并反馈给位移传感器；显示屏用于显示当前光栅位移测量的基本信息，与主控模块集成在一起。本发明将嵌入式技术与光栅莫尔条纹技术相结合，用于微小位移的自动测量，具有智能化、多功能、高精度、可远距离测控等特点。

Description

一种光栅微小位移检测装置

技术领域

本发明属于自动精密检测领域，将嵌入式技术与光栅莫尔条纹技术相结合，用于自动测量微小位移的光栅微小位移检测装置。

背景技术

微小位移的测量在精密机械加工与物理实验中十分重要。传统的微小位移测量方法主要有光杠杆放大法、霍尔式测位移法、迈克尔逊干涉法。这些传统的位移测量仪成本高、体积大、结构复杂、不方便控制，不能实现智能化测量和仪器产品化。计量光栅是人们公认的理想的精确微小位移测量元件，利用莫尔条纹技术制作的光栅位移测量仪，具有位移高倍率放大的光学特性，可对位移量进行准确的测量与控制。但传统的光栅式微小位移测量仪的电路***十分复杂，而且成本高，不利于光栅式微小位移测量仪产品的推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种光栅微小位移检测装置，以解决上述问题的至少一个方面。

根据本发明的一方面，一种光栅微小位移检测装置，包括光栅位移传感器、电路模块、主控模块及显示；所述光栅位移传感器包括光源、标尺光栅、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路，标尺光栅与基座相连接；光源、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路集成在一起，作为光栅读数头，与运动部件相连接；所述电路模块包括差分放大电路、滤波电路、整形与判向电路，用于判断位移方向，把信号送入主控模块进行可逆计数与数显工作；主控模块对光栅位移传感器测量的脉冲信号进行计数处理并反馈给位移传感器；显示屏用于显示当前光栅位移测量的基本信息，与主控模块集成在一起。

本发明还包括活塞、支架、定位卡子、为方便走线的转接板、判断条纹前后移动方向的D触发器、亚克力盒，所述光栅位移传感器、活塞装在支架上；所述转接板、D触发器、STM主控模块装在亚克力盒中，这样布置可防尘防潮，保护主控芯片；所述光栅位移传感器输出的电信号通过差分放大电路、滤波电路后给整形判向电路，由D触发器判断条纹移动方向并输出高低电平给STM32主控模块，从而判断位移方向。STM32主控模块对输入进来的信号进行计数处理并反馈显示。

本发明产生的有益效果是：通过将嵌入式技术和光栅位移测量技术相结合，使整个***硬件结构简单，编程技术方便。与传统的位移测量方法相比具有精度高，稳定性好，易于操作等多种优点。在许多对位移测量稳定性和精度要求较高的场合得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明整体工作流程图；

图2为本发明结构示意图；

图3为光栅位移传感器结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

图1-图3中，一种光栅微小位移检测装置，包括光栅位移传感器3、电路模块、主控模块7及显示屏9；所述光栅位移传感器3包括光源301、标尺光栅303、指示光栅304、光电探测器305及前置信号处理电路306，标尺光栅303与基座相连接；光源301、指示光栅304、光电探测器305及前置信号处理电路306通常被集成在一起，作为光栅读数头，与运动部件相连接。其中光电探测器305为红外接收二极管。所述电路模块包括差分放大电路、滤波电路、整形与判向电路，用于判断位移方向，把TTL信号送入主控模块进行可逆计数与数显工作；主控模块STM32对光栅测量的脉冲信号进行计数处理并反馈给显示部分。显示屏TFT，用于显示当前光栅位移测量的基本信息，与主控模块集成在一起。

如图2所示，本发明还包括活塞1、支架2、定位卡子4、为方便走线的转接板5、判断条纹前后移动方向的D触发器6、亚克力盒8，所述光栅位移传感器3、活塞1装在支架2上；所述转接板5、D触发器6、STM主控模块7装在亚克力盒8中，这样布置可防尘防潮，保护主控芯片；所述光栅位移传感器3输出的电信号通过差分放大电路、滤波电路后给整形判向电路，由D触发器6判断条纹移动方向并输出高低电平给STM32主控模块7，从而判断位移方向。STM32主控模块7对输入进来的信号进行计数处理并反馈显示。

STM32主控模块7采用STM32F103RB，同时包括许多拓展模块，如片外存储器、显示模块、USB插口模块。使得本发明比传统的光栅位移测量在电路上更加简化，显示更加直观。

本发明装置具体的一个实施例如图2所示。给电炉通电，使其升温，密封了一定量的甘油的金属小球吸收热量体积膨胀从而推动密封在金属球上的活塞运动产生微小位移，最终光栅位移测量仪将这一微小位移检测出来。实际测量过程中，光栅运动的栅距与莫尔条纹运动的宽度是一一对应关系。这种对应关系不仅体现在位移大小上而且还体现在位移的方向上。当指示光栅相对于固定不动的标尺光栅左右移动时，莫尔条纹随着光栅的左右运动而在上下方向运动。因为位移与方向上的一一对应，可以把光栅实际位移的测量转化为条纹数目的计量。

在上述实施例基础上，如图2、图3所示，莫尔条纹在测量过程中，红外接收管感知的是条纹明暗变化即光强分布。少数的光栅刻线的断裂或缺失，并不影响光强的分布。因而光栅刻线的这些误差在很大程度上被莫尔条纹给消除了，从而减小了***误差。

本发明整个工作流程如图1所示。提供光栅微小位移检测装置的检测方法：

位移信号通过光栅位移传感器3中的红外对极管的发射与接收后产生四个相位差为九十度的正弦与余弦信号。通过前置差分运放处理，四路电流信号变成为电压信号。最终输出相位差为九十度的正弦与余弦信号。再通过斯巴特低通滤波器来消除正交信号中掺杂的干扰信号。

滤波器输出的是正余弦信号，为了使其转化为TTL信号，采用LM339电压比较器，通过滑动变阻器调节负端的合适大小与频带宽度的预制电压，输出来的为数字信号。

整形后的TTL电平信号具有很好的90°相位差，判断条纹的前后移动需选用D触发器6，光栅尺向左向右移动Q输出的高低电平不同，可以被STM32主控模块7测量到，从而成功判断位移方向。

综上，本发明具有智能化、多功能、高精度、易拓展、可远距离测控、可靠性高、界面友好、便于操作、易于携带等优点，并可实现测量过程的全自动化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种光栅微小位移检测装置，其特征在于：包括光栅位移传感器、电路模块、主控模块及液晶显示屏；所述光栅位移传感器包括光源、标尺光栅、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路，标尺光栅与基座相连接，光源、指示光栅、光电探测器及前置信号处理电路通常被集成在一起，作为光栅读数头，与运动部件相连接；所述电路模块包括差分放大电路、滤波电路、整形与判向电路，用于确定位移方向，并把信号送入主控模块进行可逆计数与数显工作；所述主控模块对光栅测量的脉冲信号进行计数处理并反馈给显示部分；所述液晶显示屏，用于显示当前光栅位移测量的基本信息，与主控模块集成在一起；

还包括活塞、支架、转接板、D触发器、亚克力盒，光栅位移传感器、活塞装在支架上；转接板、D触发器、主控模块装在亚克力盒中，可防尘防潮，保护主控芯片。

2.根据权利要求1所述的一种光栅微小位移检测装置，其特征在于：所述光栅位移传感器输出的电信号通过差分放大电路、滤波电路后给整形判向电路，由D触发器判断条纹移动方向并输出高低电平给主控模块，从而判断位移方向；主控模块对输入进来的信号进行计数处理并反馈显示。

3.根据权利要求1所述的一种光栅微小位移检测装置，其特征在于：活塞用于感受微小位移，与光栅位移传感器中的指示光栅连接，形成莫尔条纹。

4.根据权利要求1所述的一种光栅微小位移检测装置，其特征在于：光栅运动的栅距与莫尔条纹运动的宽度是一一对应关系，对应关系体现在位移大小上，还体现在位移的方向上。

5.根据权利要求1所述的一种光栅微小位移检测装置，其特征在于：主控模块采用STM32F103RB型号，包括片外存储器、显示模块、USB插口模块。

6.一种光栅微小位移检测装置的测量方法，具体步骤如下：

步骤一：位移信号通过光栅位移传感器中的红外对极管的发射与接收后产生四个相位差为九十度的正弦与余弦信号；

步骤二：通过前置差分运放处理，四路电流信号变成为电压信号；最终输出相位差为九十度的正弦与余弦信号；

步骤三：再通过斯巴特低通滤波器来消除正交信号中掺杂的干扰信号。

步骤四：滤波器输出的是正余弦信号，为了使其转化为TTL信号，采用LM339电压比较器，通过滑动变阻器调节负端的合适大小与频带宽度的预制电压，输出来的为数字信号。

步骤五：整形后的TTL电平信号具有很好的九十度相位差，判断条纹的前后移动需选用D触发器，光栅尺向左向右移动输出的高低电平不同，可以被主控模块测量到，从而判断位移方向。