段曉平

(韶關(guān)市光柵測量控制技術(shù)研究所，廣東韶關(guān)512026)

在汽車側(cè)滑量的檢測中，位移檢測是重要的技術(shù)之一。由于側(cè)滑量測量中滑板位移速度極快，測量時對響應(yīng)速度的要求較高。計量光柵具有量程大、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。為了滿足高精度高速位移測量的要求，在汽車側(cè)滑量檢測中采用計量光柵作為位移傳感器，以高速單片機(jī)為控制核心，實現(xiàn)對側(cè)滑量的快速準(zhǔn)確的測量。

1 側(cè)滑量的測定

汽車前輪定位參數(shù)是影響汽車操縱性和穩(wěn)定性的重要因素。汽車如果沒有正確的前輪定位，將引起轉(zhuǎn)向沉重、操縱困難、增加駕駛員的勞動強(qiáng)度，同時，轉(zhuǎn)向車輪在向前滾動時將會產(chǎn)生橫向滑移現(xiàn)象。動態(tài)檢測法是使汽車以一定的行駛速度通過側(cè)滑試驗臺，從而測量轉(zhuǎn)向輪的橫向側(cè)滑量。系統(tǒng)采用光柵傳感器測量側(cè)滑試驗臺橫向位移，通過光電元器件直接檢測光柵相對運(yùn)動產(chǎn)生的干涉莫爾條紋，輸出對應(yīng)的光電脈沖，實現(xiàn)對側(cè)滑量位移的測量。

1.1 光柵傳感器的工作原理

光柵傳感器主要由主光柵、指示光柵、光電元件和傳感器殼體構(gòu)成。指示光柵與主光柵構(gòu)成一對光柵付。傳感器殼體在主光柵滑槽的兩邊安裝有兩對光敏器件，發(fā)光管發(fā)出的兩路平行光通過兩條光縫，穿過光柵干涉面到達(dá)另一邊的光敏接收管，光敏接收管用來檢測干涉莫爾條紋引起的光強(qiáng)變化并輸出相應(yīng)的電流波形。采用雙光路設(shè)計可以實現(xiàn)運(yùn)動方向判別和脈沖細(xì)分，從而提高傳感器的測量精度和實現(xiàn)判向功能。由于采用紅外發(fā)光管作為光源，不僅使傳感器壽命長、抗干擾性好、成本低，而且使傳感器的體積和重量進(jìn)一步縮小。傳感器在制造時必須保證主光柵和指示光柵的柵線保持固定微小夾角θ，光柵面保持合適的微小間距，這樣當(dāng)與被測物體的連接的主光柵與處于固定位置的指示光柵發(fā)生相對位移運(yùn)動時，在兩片光柵的重合面區(qū)域?qū)a(chǎn)生垂直的明暗相間的干涉莫爾條紋，通過光電元件檢測莫爾條紋數(shù)量和方向即可以得到位移量或轉(zhuǎn)角大小以及它們的方向信息。干涉得到的莫爾條紋間距B比原來光柵本身的柵距W放大了1/θ倍，因此，傳感器可以通過檢測莫爾條紋的數(shù)量得到光柵相對位移量。指示光柵通常固定在被測物體上，并且隨被測物體移動，主光柵的長度決定傳感器位移檢測范圍。指示光柵與光電元件屬于傳感器的移動部分，光電元件用來感測隨指示光柵的移動而產(chǎn)生的莫爾條紋的光強(qiáng)變化，當(dāng)兩塊光柵相對移動時，可以觀測到莫爾條紋的光強(qiáng)變化。光柵每移動一個柵距，莫爾條紋便走過一個條紋間距，電壓輸出正好經(jīng)歷一個正弦變化周期，當(dāng)光柵連續(xù)運(yùn)動時，通過電路整形處理，這一正弦信號變成一串連續(xù)脈沖輸出。脈沖數(shù)和條紋數(shù)與移過的光柵柵距是一一對應(yīng)的，因此位移量為:d=NW。

1.2 光柵傳感器數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成

光柵傳感器設(shè)計成雙光路結(jié)構(gòu)，兩路光敏管輸出的信號始終保持1/2π相位差，輸出一組正交信號，經(jīng)放大和整形電路后，再各自取反，從而得到四路相位彼此相差1/2π的正交方波信號，這些信號再經(jīng)過提取邊沿處理即可以實現(xiàn)四倍細(xì)分，同時根據(jù)邊沿的時序可以判斷主光柵的運(yùn)動方向，以消除由于光柵往返回復(fù)運(yùn)動給位移檢測帶來的誤差。目前，計量用光柵尺的刻線一般為每毫米50～250線，對應(yīng)的柵距W為20～4 μm，在精密測量中往往不能滿足要求，需要進(jìn)行細(xì)分。光柵尺信號的細(xì)分與辨向是提高光柵尺測量精度的關(guān)鍵性一步。要提高其測量分辨率，對光柵輸出信號進(jìn)行細(xì)分處理是必要環(huán)節(jié)。在實際應(yīng)用中，通常采用四倍頻的方法提高定位精度。四倍頻電路與判向電路設(shè)計為一個整體，稱為四倍頻及判向電路。光柵傳感器輸出兩路相位相差為90°的方波信號A和B。用A，B兩相信號的脈沖數(shù)表示光柵走過的位移量，標(biāo)志光柵分正向與反向移動。四倍頻后的信號，由微處理器內(nèi)部定時計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)。圖1為光柵傳感器輸出信號示意圖。

圖1 光柵傳感器輸出信號示意圖

圖2 光柵信號倍頻判向原理圖

1.3 光柵傳感器在側(cè)滑測試臺的應(yīng)用

通過側(cè)滑試驗臺檢測汽車轉(zhuǎn)向輪側(cè)滑量。使汽車以一定的行駛速度通過側(cè)滑試驗臺，由于汽車前輪定位參數(shù)使轉(zhuǎn)向輪在向前滾動時將會產(chǎn)生橫向滑移，使側(cè)滑試驗臺滑板滑移，與滑板接觸的直線復(fù)位式光柵傳感器精確測出滑板的位移變化，光柵位移信號經(jīng)細(xì)分、判向，計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，鎖定測量過程中的最大值，根據(jù)滑板的尺寸換算成側(cè)滑量量綱，準(zhǔn)確測出汽車轉(zhuǎn)向輪的側(cè)滑量顯示并傳輸至上位機(jī)。經(jīng)測試光柵傳感器的響應(yīng)速度約為每秒1米，滿足側(cè)滑測試的響應(yīng)速度。側(cè)滑量測量原理如圖3光柵位移傳感器在側(cè)滑量測量中的應(yīng)用。

圖3 光柵位移傳感器在側(cè)滑量測量中的應(yīng)用

2 結(jié)論

光柵直線自復(fù)位式位移器由于測量精度高，反應(yīng)速度快在汽車側(cè)滑試驗臺應(yīng)用了多年，得到了較好的效果。由于光柵傳感器測量精度高、動態(tài)測量范圍廣、可進(jìn)行無接觸測量、易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

［1］代杰，樊瑜瑾，張學(xué)麗，等.基于單片機(jī)的光電編碼器位置檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2011(1):17－19.

［2］李超，孔祥飛，陳曉飛，等.光柵位移傳感器在高壓開關(guān)機(jī)構(gòu)位移測量中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(12):85 －86，99.