精密工作台的光栅定位测量与控制系统 2.doc

精密工作台的光栅定位测量与控制系统课程设计报告 精密工作台的光栅定位测量与控制系统课程设计报告班 级 报告人姓名 学 号 指导老师 完成时间 2014年 1 月 3 日 摘 要 随着现代科学技术的迅速发展，定位测量与控制系统是精密仪器中的一个重要组成部分，特别是对高精度的仪器尤为重要。精密工作台光栅定位测量与控制系统是一种包括激光干涉仪、光栅、线纹尺、感应同步器、磁栅及码盘等多个元器件组成的精确地的定位测量与控制系统。本次课程设计提出精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计方案。设计了工作台的结构。以光栅莫尔条纹为基础，设计了工作台的光学系统，采用100线对/mm的光栅尺，即栅距为10um。对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。设计了相位跟踪细分法对莫尔条纹进行20倍细分。利用8051单片机和8253计数器对脉冲进行计数，通过RS232接口实现通讯，并由PID控制器进行实时控制。目前，精密定位测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对精密定位测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，精密定位测量技术不但要达到更高的分辨率，还要适应更复杂的工作环境。关键词：光栅定位系统；光纤光栅传感器；激光干涉仪；测量控制目 录第1章 绪论11.1 国外研究发展及现状11.2 国内研究发展及现状21.3 测量方法3第2章 总体设计方案52.1 方案构思52.2 运动范围和精度的实现7第3章 测量方法设计83.1 测量方案框图8图2 测量方案框图83.2 测量原理详述83.2.1 光栅传感器83.2.2 光栅莫尔条纹的辨向28113.2.2 软硬件电路实现12第4章 控制方法设计154.1 控制系统总体方案154.2 控制原理154.3 软、硬件的实现16第5章 测控电路总设计18第6章 总结21参考文献22第1章 绪论1.1 国外研究发展及现状 最早的光栅，要归功于美国天文学家李敦豪斯（David Rittenhouse，1732 1796）。1786年，他在两根由钟表匠制作的细牙螺丝之间，平行地绕上细丝，在暗室里透过它去看百叶窗上的小狭缝时，观察到三个亮度差不多相同的像，在每边还有几个另外的像，“离主线越远，它们越暗淡，有彩色， 并且有些模糊。”1他实际上制成了透射光栅，还在费城做了光栅实验。他制作的最好光栅，约为4.3/mm。1801 年杨氏（Thomas Young，17731829）在“光的理论”一文中，介绍了他研究光栅的情况。他利用一块刻有相邻间隔约为 0.05mm 的一系列平行线的玻璃测微尺，当作光栅，作了如下的观察:“让阳光以45方向入射，当其以某一条刻线为轴旋转时，可以测出光的偏转角；我发现最亮的红线出现在偏转角为10.5，20.75，32和 45处，它们的正弦之比为1，2，3和4。”21813年，他认识到所观察到的彩色是由于相邻刻线的微小距离所致。在光栅发展早期，人们对光栅的认识还只是初步的，在光栅制作上也仅仅是开始偿试。3从20世纪50年代至70年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了发展。但光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种，而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从60m/min至480m/min。测量长度从1m、3m至30m和100m。 计量光栅技术的基础莫尔条纹（Moire fringes）是由英国物理学家L Rayleigh首先提出的。到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。1953年，英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直应用至今。60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4m（250线/mm）的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，可实现1m和1角秒的测量分辨率。1966年又制造出了栅距为20m（50线/mm）的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出了AURODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。1987年，又提出一种新的干涉原理，即采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85%，开启式光栅尺约占15%。在Heidenhain公司的产品销售额中，直线光栅编码器约占40%，圆光栅编码器占30%，数显、数控及倍频器占30%。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元（不含Heidenhain跨国公司所属的40家企业）。国外企业的人均产值在1015万美元左右，研究开发人员约占雇员的10%，产品研发经费约占销售额的15%。1.2 国内研究发展及现状位置检测技术及数显技术是我国重点发展和推广的新技术。多年来在航空航天、精密机械仪器、数显数控机床等领域得到了广泛的应用，已成为高科技的组成部分。随着微电子技术的迅速发展和微处理器的出现，采用电子学细分和数字化处理的方 法对对测量传感器的节距进行电子细分和误差修正，以提高测量系统的分辨率和系统准确度已成为可能。20世纪90年代，中国的数显技术和装备，从研究开发逐步走向商品化、产品化、国际化，并参与了国际交换和竞争。数显技术从20世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点，发展到21世纪以“数显装置”装备了中国的机床产业，使机床的数显化率达到30%，达到发达国家水平，数显装置以经济适用的价格，普及到整个机床行业，给“中国制造”奠定了基础。在检测系统中，光栅占有明显优势，有着广泛的市场前景。4我国在光栅方面的研究起步较晚，始于1960年前后，并在长光栅和圆光栅的制造、应用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比，（如德国的OPTION。Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B &L公司等）还有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低，批量程度差，品种比较单一。此外，目前发达国家在数控技术方面均投人大量的人力物力，研究和开发了一系列新一代的数控设备，例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。虽然我国数年来也不断对数控技术进行发展，但是出于种种原因且直到到今天我国数控领域依然处于比较落后的局面，我们必须对数控技术不断加以研究和探索，使整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，从而使得工业经济的发展。51.3 测量方法现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势6。就其测量精度而言已由微米向纳米提升，而这是离不开测量技术与设备的。 现阶段的测量技术主要有：扫描探针显微镜（STM）其空间分辨率可达极高（平行和垂直分辨率可达0.1nm和0.01nm），广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域；扫描X射线干涉技术是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小2个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率；光学干涉显微镜包括外差干涉测量技术（光外差干涉轮廓仪具有0.1nm分辨率）、超短波长干涉测量技术、基于FP（FebryPerot）标准的测量技术（具有极高的灵敏度和准确度，精度0.001nm）等；超精密测量电容测微仪其特点是非接触测量，精度高、价格低，但测量范围有限，测量稳定性和漂移常令人不满意；双频激光干涉仪-精度高，测量范围大，因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件，但这种测量方法对环境要求高，对生产机床在时间加工中往往过于苛刻，很难加以保证7。 以上几种测量技术高造价或者高环境要求，而超精密光栅尺不但有价格便宜，环境要求低的优点外，还具又很多优势：（一） 测量精度高计量光栅应用莫尔条纹原理，莫尔条纹是由许多刻线综合作用结果，故对刻划误差又均化作用，因此利用莫尔条纹信号所测量的位置精度较线纹尺高，可用于高精度的定位系统。（二） 读数速率高莫尔条纹的取数率一般取决与光电接收元件和所使用电路的时间常数，取数率可从每秒零至数十万次，既可用于静止的也可用于运动的，非常适于动态测量的定位系统。（三） 分辨率高光刻、复制技术和微电子技术的发展以及莫尔条纹细分技术日益成熟，使光栅测量分辨率能达到纳米级。（四） 读数易实现数字化、自动化莫尔条纹信号接近正弦，比较适合与电路处理，故其测量位移的莫尔条纹可用光电转换以数字形式显示或输入计算机，实现自动化且稳定可靠。 另外由光栅产生的莫尔条纹也有优点：（1）将光栅常数非常小的、高精度的、人眼不能直接观察的光栅放大，可以用人眼或仪器直接观察到莫尔条纹，测量精度可以达到1m；（2）条纹呈周期变化，便于读数和消除随机误差；（3）光栅尺可以印在塑料薄膜上，成本低，使用方便。第2章 总体设计方案2.1 方案构思本文采用在研制垂直扫描白光干涉表面三维测试系统时设计的一种微位移工作台。该工作台采用了粗、精两级定位机构，测量时大范围的扫描由步进电机驱动精密丝杠机构完成，纳米级的定位则由压电陶瓷驱动叠层式平行平板柔性铰链机构来实现;以衍射光栅作为位置测量传感器，反射式衍射光栅贴在工作台上，符合阿贝测量原则。设计的工作台可以实现0300 mm的位移范围，0.5m的定位分辨力。作为理想精密微动工作台，应满足下列要求：1) 微动工作台的支承或导轨副应无机械磨擦和无间隙，使其具有较高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复精度，同时还应满足工作行程；2) 微动工作台应具有较高的几何精度，即颠摆、滚摆和摇摆误差要小，还应具有较高的精度稳定性；3) 微动工作台应具有较高的固有频率，以确保微动台有良好的动态特性和抗干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节；微动系统要便于控制，而且响应速度快。本文设计主要由光栅定位传感器、直流电机和直流电机驱动器等部件组成的闭环控制系统来进行控制。总体设计框图（图1）如下：光栅位移传感器校正方向新号脉冲信号精密工作台直流电机直流电机驱动器测控电路图1 总设计框图从经济实用角度，本系统的总体思路：直流电机驱动器接收测控电路的脉冲信号和方向信号，并按直流电机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止信号。因此，直流电机转速的高低、顺转或逆转、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无、方向或频率。直流电机的转动带动工作台进行相应的直线位移。通过光栅位移传感器测量当前工作台的实际位移，再把测量到的实际位移反馈到控制电路。控制电路把实际位移与给定位移进行比较，通过实际位移与给定位移的偏差实现对工作台的位置进行控制。测控电路把输出通过脉冲信号传到直流电机驱动器。从而实现对工作台位移的校正。在控制方法的选取上，典型伺服系统如开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统的基本配置、控制原理及控制特点。本系统采用闭环伺服系统以直流电机作为驱动部件，直线电动机的自身质量小，产生的推力由于直接作用在移动物体上，故可得到高效率的驱动特性。由于直线电动机驱动机构仅由两个互不接触部件组成，没有低效率的中间传动部件，也无机械滞后以及螺距误差，从而可达到高的效率，且其精度完全取决于反馈系统和轴承。当用全数字伺服系统驱动直线电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而达到极好的伺服性能。而直流步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，它同时完成两个工作：一是传递转矩，二是控制转角位置或速度9。闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强。缺点在于，这类系统是靠偏差进行控制的，因此在整个控制过程中始终存在着偏差；由于元件存在惯性（如负载的惯性），如参数配置不当，容易引起振荡，使系统不稳定，甚至无法工作。在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着感受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重收元件后变为。这里采用较高的系统定位精度（0.01um）、故选择光栅位移检测系统。光栅经接周期性变化的电信号，采用逻辑辨向电路区别位移的正反向。利用单片机进行数据处理并显示结果，软件采用汇编语言实现。本测量设计的硬件电路主要由光栅位移传感器、差分放大电路、细分与辨向电路、单片机8051、AD转换和LED显示组成。光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大与整形器整形后,输出脉冲信号然后经过4倍频与细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两块光栅以微小倾角重叠时在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器。可将光信号转换为电信号。这样就可实现位移信号到电信号的转换。位移一般是从静止开始移动的。光电信号的最低频率为零，所以前置放大器采用直流宽带放大器。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波,采用了由低漂移运放构成的差分放大器。2.2 运动范围和精度的实现本次设计采用的精度为0.1um，所以在选择栅距的时候选100线对/mm，其栅距为0.01mm，在经过一个5倍频信号和4细分电路联级的细分电路，经细分后的信号经过一个/转换器，转成模拟信号，转换后的信号再次通过1个上述的20细分电路，得到分辨率为0.5m的计数脉冲。计数器选择1和16位的计数器，经细分后的信号以一个栅距40m为一次计数，25000为置顶，超过25000则计数器置位，反馈量返回单片机，单片机控制工作台停止运动。第3章 测量方法设计3.1 测量方案框图 对位移的测量，现在有很多方法，对于精密仪器和测量计量中，采用光栅位移传感器进行位移的测量。光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大与整形器整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位移是一号，由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为/2，经过整形器后整形为占空比为1比1的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号相位差都是/2，将2个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。在对信号进行辨向后，辨向后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，实现位移的测量。信号信号转换电路（D/A）光栅传感器单片机计数器辩向细分电路图2 测量方案框图3.2 测量原理详述 3.2.1 光栅传感器光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图3）。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和精度高。光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。图3 光栅式传感器工作原理图本光栅测量系统的结构是：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。该系统对工作平台位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以单片机为核心构成信号处理与开环控制。光栅是一种最常用的测量装置，具有测量精度高、响应速度快等优点1011。光栅由光栅尺和光栅读数头两部分组成， 光栅读数头如图4所示。标尺光栅指示光栅透镜光源驱动电路光敏元件图4 光栅读数头将标尺光栅固定在工作台上，光栅读数头固定在机架上。安装时要严格保证两光栅的平行度以及二者之间的间隙要求（0. 05 0. 1 mm） 12。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的栅距P必须相同。安装时将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度H，使两块光栅的刻线相交，当平行光垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的莫尔条纹。由于两块光栅的栅距P相等，产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直，其几何关系如图5所示。图5 莫尔条纹的方向与光栅刻线方向几何关系 莫尔条纹的宽度W 与光栅线纹的关系为:由于很小， ，则。当标尺光栅移动时，莫尔条纹沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距P时，莫尔条纹就相应准确地移动一个宽度W。因此，只要读出移过的莫尔明条纹的数目，就可以知道暗光栅移过了多少个栅距。而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后自动测量出来。3.2.2 光栅莫尔条纹的辨向28莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大、整形后，形成脉冲，可以作为计数脉冲直接输入到计算机系统中的计数器中计算脉冲数，根据脉冲的个数可以确定位移量。对于普通数控机床改造如果对辨向和细分没有更多特殊要求，综合改造成本考虑，可以采用普通辨向电路 13 -14，其原理如图6所示。当莫尔条纹正向移动时，输入可逆计数器的脉冲数累加；反向移动时，便从累加的脉冲数中减去莫尔条纹反向移动所产生的脉冲，这样就可根据计数器显示的计数脉冲的增加和减少来辨别莫尔条纹的移动方向15。U1U1MUO1可逆计数器触发器Y1微分整形放大U2UO2整形放大CP反向微分延迟Y2+图6 普通辨向电路原理其产生波形图如图7：图7 辩向莫尔条纹产生的波形3.2.2 软硬件电路实现在采用莫尔条纹测量位移的时候，若单纯的对一个周期进行计数，则仪器的分辨率就是一个周期，所测得的分辨率较难达到较高要求，因此，需要根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，也就是细分，从而获得更高的精度16。电子细分就是把栅距进行N等分，是时间域上通过相对信息的测量达到细分的目的。通过光电转换，将莫尔条纹转成点信号，转换后的电信号。在倍频法细分电路中，需要结合电阻链细分，电阻链细分就是将正弦信号施加在电阻链的两端，在电阻链的节点上可得到幅值和相位各不相同的电信号，这些信号经整形，脉冲形成后，就能在正余弦信号的一个周期内得到若干计数脉冲，实现细分17。下图8为五倍频细分：图8 五倍频细分电路整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路组成。电阻移相网络给出10路移相信号，移相电阻去10千欧、24千欧、33千欧、56千欧四种，电压比较器将10路移相信号与参考信号U1进行比较，将正弦信号转换为方波信号。从比较器得到的10路信号再经过异或门逻辑组合电路，在41和40处得到相差90的5倍频方波信号。将5倍频细分和下图（图9）四细分级相联，可以达到20倍细分18。图9 四细分电路第4章 控制方法设计4.1 控制系统总体方案控制体统总体方案框图（图10）直流电机工作台单片机反馈装置图10 控制体统总体方案框图作为一个控制系统，有开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统和复合控制系统四种控制方式。开环控制系统一般来说结构简单，比较容易实现，但控制精度往往较低。所谓闭环伺服，就是系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，在被控的运动过程中，测量环节不断测出实际的输出量和给定的量进行比较，然后用其差值进行控制，以获取高精度。半闭环系统与闭环伺服的区别在于检测装置不是安装在工作台上，而是装在滚珠丝杠或电机轴的端部19-20。复合控制系统21是在闭环控制系统上附加一个对输入量或对干扰作用进行补偿的前馈通路（分别称为按输入量补偿和按干扰作用补偿的复合控制系统）。这次的驱动系统需要用反馈量进行更高的精度，所以选用闭环伺服系统。4.2 控制原理这次精密工作台定位控制系统就是采用下图（图11）所示的闭环系统。系统主要由定位执行机构、检测装置和控制装置三部分组成，定位系统总的操作控制由微机来完成。微机发送目标位移量到单片机中，由单片机中的预置软件模块来控制定位执行机构进行位移定位22。单片机控制定位执行机构的同时，检测装置不断地对微位移工作台位置进行实时检测，并将检测到实际位移量信号反馈控制装置中与目标位移量进行比较，其差值作为新的控制量进一步驱动定位执行机构进行移动定位，直到达到所要求的定位精度为止。干扰输出量+输入量控制装置被控对象-反馈装置图11 闭环控制系统工作原理为：先由人为的给定一初始位移W1，通过点偶就转换为脉冲信号，电信号通过置放大电路，直流电机接受脉冲信号，使直线直流电机开始正转，直流电机驱动工作台，工作台移动位移W2。光栅传感器通过测量，将测量的W2与W1进行比较，形成反馈量 反馈量再次通过单片机转为脉冲信号，直流电机通过矫正，达到原定的位移W1。4.3 软、硬件的实现 定位执行机构作为工作台实现精密定位的关键技术之一，选择合适的方案显得尤为重要。由于我们要求微动工作台具有高速度、高精密，而高速度、大行程势必给工作台带来较大的惯性，很难达到较高的定位精度。为了解决高速度和高精度的矛盾，我们采用伺服电机来执行工作台之间的链接来实现微位移的移动23。 直流电机选用定义输出或输入为直流电能的旋转电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将继续能转换为电能。图12为直流电机的驱动电路原理：图12 直流电机的驱动电路原理 图中有R1起着总的限流作用，而且引脚内部有上拉电阻，这样保证电路不会通过太大的电流，在R2的选择上，R2的上拉作用不但对Q1有影响，而且对Q2的导通也有影响。R2取5.1k。直流电机作为系统的驱动装置，是整个控制系统中重要的一部分，但是，直流电机还是需要控制装置来实现。被设计控制系统简要框图（如图13）电机放大电路单片机PC微机反馈信号图13 控制系统简要框图微机作为上位机，通过通用总线与单片机进行通信。单片机作为控制装置的核心部分，由它来具体执行工作台的精密微位移控制。单片机只要控制与PC之间的通信和驱动直流电机的转运24。通信模块主要完成与上位机的通信，即接收上位机发出的位移信号和返回完成状态信息，控制功率放大电路驱动电机完成工作台的移动。本设计控制装置流程图（如图14）中断路口保护现场读取位移信息N完成位移移动Y返回状态信息恢复现场退出中断图14 控制装置流程图第5章 测控电路总设计系统先由PC微机给定一个初始位移信号，初始信号经过单片机8051转化成电信号，电信号中可能有其他噪声，垃圾信号的干扰，需要滤波电路去除不必要的信号，由于信号比较小，为了方便直流电机的读取，在直流电机前添加放大电路，放大后的信号驱动直流电机的转动，直流电机带动工作台的微位移移动，因为位移的移动，是工作台上的光栅传感器接受到光栅的变化，光栅传感器将光信号转化为电信号，形成脉冲信号，一个脉冲为一个栅距，由于精度的要求，需要将此脉冲信号进行400细分，达到更高的精度，脉冲信号经过滤波整流后一个5倍频和4细分电路联级的20细分电路，此时的信号为数字信号，数字信号经过一个D/A转化器转化为模拟信号，模拟信号再次通过20细分电路，达到400细分。细分后的信号有1个控制装置流程图，16位的计数器接受，计数器上显示此时的位移量25。此时信号反馈回单片机，单片机将此时的位移量与初始位移进行比较，将比较后的差值再次送入直流电机，进行更进一步的校正。直线电机放大电路滤波电路单片机PC微机产生位移产生位移计数器产生位移20细分电路20细分电路D/A转换电路图15 测控电路总设计在本系统中，单片机起着不可或缺的作用，单片机需要接受并发送原始信号，还要控制计数器对位移信号的测量，测量后的信号再次经过单片机，与初始信号进行比较，比较后重新发送新的信号，矫正系统的产生误差26。计数时，单片机程序原理如图16所示：开始接收信号是否为一个完整脉冲YN计数器加1N计数器是否达到25000Y计数结束图16 单片机程序原理第6章 总结随着高新技术的飞速发展，为土木工程结构的安全监测提供了新的方法和手段，同时也不断开拓出新的研究方向和新的课题。光纤光栅传感器代表了一种全新的传感技术，将使结构的长期健康监测与完全诊断成为可能，此技术逐渐向商品化发展，其较低成本高使用价值的特性将会带来相对较高的经济效益。光纤Bragg光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域都发挥重要作用，所以具有广阔 的应用前景。光纤Bragg光栅的理论研究到目前为止已取得了很大成就，有关其实用性方面的研究还需要进一步深人。而对于如何检测传感光栅Bragg波长的微小偏移，是光纤布拉格光栅传感器实用化面临的关键技术同时，在知识经济时代，人们对高科技产品的需求越来越大，而此技术带来的方便快捷将充分满足消费者的需求，从而占领越来越大的市场领域27。光纤光栅传感器的应用 是一个方兴未艾的领域，有着非常广阔的商业发展前景。参考文献1英哈特雷著. 贾惟义，秦小梅译. 衍射光栅. 贵阳: 贵州人民出版社,1990. 32 Nahum Kipnis. History of the principes of intereference of light . Basel : Brikhauser Verlay,1991.1023 刘战存. 衍射光栅发展历史的回顾J. 物理实验,1997,19(1): 48-494 杨康. 精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计J. 测试技术,2006，(9): 87-875 孙亮. 精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计J. 测试技术,2012，(10): 13-146 冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社,2007:2832957 古天祥，王厚军，习友宝等.电子测量原理M.北京：机械工业出版社,2006，458 李庆祥，王东升，李玉和.现代精密仪器设计M.北京：清华大学出版社,2009：1392899 李庆祥，郭阳宽，李玉和.现代精密仪器设计M.北京：清华大学出版社,2010：22625310 田德文. 莫尔条纹在测量中的应用 J .遥测遥控,1989, (3) : 37 - 40.11 LU Guogang . Modern grating measuring technology J .Special Interview & Report s,2002,(5) : 10 -13.12 赵玉刚，宋现春. 数控技术 M .北京: 机械工业出版社,2003.13 李晖，刘庭欣.光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究 J .辽宁大学学报,2003,30 (2) : 127 - 128.14 张英杰，海淘.一种辨别莫尔条纹移动方向的实时性辨向电路 J . 现代电子技术,2004,(19) : 29 - 31.15 许良元，刘勇，朱灵，翟玉锋，吴路生.光栅莫尔条纹在机床数控改造中的应用研究J. 光学与光电技术,2008，6(4): 60-6316祝绍箕. 全息光栅的制造技术及其改进J. 高速摄影与光子学, 1990, 19(1): 79-8617 R.C. Mcphedran ,L J. Wilson, M. D. WaterworthJ. Optics and Laser Technology, 1973, 5(4)：166-171.18 李伟偏振光位移传感器原理与方法研究J.仪器仪表学报.1999.20(3)：221-22419 Howard，Lowell，Stone Jack，FuJoeReal-Time Displacement Measurements with a Fabry-Perot Cavity and a Diode Laser Precision EngineeringJ2001.25(4)：321-335 20 禹延光，强锡富，魏振禄，孙晓明差动型激光自混合干涉式位移测量系统J.光学学报. 1999.19(9)：1269-1273 21 余有龙，谭华耀，廖信义，钟永康，关柏鸥免受温度影响的光纤光栅位移传感器J.光学学报.2000.20(4)：538-542 22 KeeCetal. Development of indoor Navigation System Using Asynchronous Pseudolites C. IONGPS2000, SaltLakeCity, Utah, 19-22Sept：1038-1045. 23 郁道银，谈恒英工程光学M.机械工业出版社.1998.1124 刘湘涛，江世明. 单片机原理与应用M. 电子工业出版社.2006.7 25 周俊.光栅干涉仪在高精度测量中的技术与应用M. 精密工程. 1992.3(1)：44-51 26 Denavit J, Hartenberg R S. A kinematic notation for lower pairmechanisms based on matrices J .ASME Journal of Applied Me-chanics, 1955, 22(2):215-221. 27 M. Vincze, H. Gander and J. P. Prenninger. A model of tumbling to improve robot accuracy J .Mechanism and Machine Theory, 1995, 30(6):849-859. 28 李晖, 刘庭欣. 光栅莫尔条纹的辨向和细分电路研究 J . 辽宁大学学报, 2003, 30(2): 127 - 128.22