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        正交編碼技術(shù)在激光水平儀上的應(yīng)用與研究

        2014-04-04 00:40:16朱宏軍
        江蘇科技信息 2014年12期
        關(guān)鍵詞:信號功能系統(tǒng)

        朱宏軍

        (常州華達(dá)科捷光電儀器有限公司,江蘇常州 213023)

        0 引言

        隨著激光水平儀在建筑基礎(chǔ)施工、工程設(shè)備安裝等領(lǐng)域的廣泛使用,傳統(tǒng)單一水平放樣功能已不能滿足施工放樣要求,SCAN功能的出現(xiàn)進(jìn)一步拓展了激光水平儀的應(yīng)用。本文介紹了激光水平儀中SCAN功能的技術(shù)實現(xiàn)原理,尤其是正交編碼技術(shù)在SCAN功能上的應(yīng)用。

        1 激光水平儀工作原理

        激光水平儀的主要部件:安平系統(tǒng)、人機(jī)操作系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)。

        1.1 安平系統(tǒng)

        激光水平儀的安平方式主要有兩種:重力安平和水平傳感器安平。

        重力安平是一種用萬向架將激光掃描系統(tǒng)整體懸掛起來,以自動保持測量基準(zhǔn)精度的技術(shù)。當(dāng)萬向架軸系摩擦力很小,且被懸掛體重心與激光掃描系統(tǒng)軸向重合時,作為基準(zhǔn)使用的水平激光束,即具有自動保持工作精度的能力,這時系統(tǒng)即使受外力擾動而作兩個自由度的擺動,最終也會靜止在原來的位置上,恢復(fù)工作精度,從而實現(xiàn)了重力自動安平。為使被懸掛體受擾動后迅速靜止,還需要設(shè)置阻尼器。

        水平傳感器安平是通過微控制電路采集水平傳感器信號,而后根據(jù)傳感器信號控制X方向和Y方向電機(jī),使激光掃描系統(tǒng)軸向Z與重力鉛垂方向重合,以此作為基準(zhǔn)使用水平激光束的技術(shù)。當(dāng)水平傳感器檢測到超出預(yù)設(shè)精度范圍的信號時,微控制電路將根據(jù)信號控制X/Y方向電機(jī),使激光束保持在水平基準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

        水平傳感器安平方式較重力安平方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但使用場合廣泛。

        1.2 人機(jī)操作系統(tǒng)

        人機(jī)操作系統(tǒng)主要由操作按鍵和LCD顯示兩部分構(gòu)成;LCD顯示儀器的當(dāng)前狀態(tài)信息,如電池電量、轉(zhuǎn)速、SCAN功能的角度等。

        1.3 激光掃描系統(tǒng)

        激光掃描系統(tǒng)主要由激光射線、直流伺服馬達(dá)和計數(shù)光柵組成;激光掃描系統(tǒng)主要功能包括勻速旋轉(zhuǎn)功能(如120rpm、300rmp、600rpm 等) 和 SCAN 功能(如 10°、30°、60°、90°、180°等),其中在勻速旋轉(zhuǎn)功能下,激光水平儀將投射出一個360度的水平面,而在SCAN功能下,激光水平儀將投射出一個扇形水平面。

        2 SCAN功能工作原理

        2.1 組成

        檢測機(jī)構(gòu)由光柵齒盤一塊、960nm紅外檢測部件(1個發(fā)射管、2個接收管)一套和后續(xù)電信號處理部分組成。

        光柵齒盤的邊緣有n個凸齒組成,本文中n=90,如圖1所示。

        圖1 光柵齒盤

        材料:用厚度為0.5mm的不銹鋼片沖壓而成,需氧化發(fā)黑處理,以保證光電信號的檢出。

        直經(jīng)在75 mm,中心孔位固定在激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸系上。

        2.2 結(jié)構(gòu)布局

        如圖2所示,發(fā)光管位于光柵齒盤的下邊緣,兩個接收管位于光柵齒盤的上邊緣(接收發(fā)光管穿過光柵齒盤的光線)。光柵齒盤固定在激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸系上,由固定在旋轉(zhuǎn)軸托架上的伺服電機(jī)通過同步帶和帶輪帶動旋轉(zhuǎn);960nm紅外檢測部件固定在激光掃描系統(tǒng)所在的托架上靜止不動;當(dāng)伺服電機(jī)帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸和光柵齒盤旋轉(zhuǎn)時,接收管將接收到強(qiáng)弱變化的光電信號。

        圖2 檢測機(jī)構(gòu)布局圖

        2.3 光電信號分析及處理

        960nm紅外檢測部件的輸出信號:

        由圖3所示,接收信號是兩個成90度相位差的弦波。

        圖3 接收信號圖

        對于接收信號1和接收信號2的弦波進(jìn)行整形,將弦波整形成方波如圖4所示。

        當(dāng)伺服電機(jī)帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn),則可得到接收信號1和接收信號2正向轉(zhuǎn)動時的波形,如圖5所示。

        由圖5可知,正向轉(zhuǎn)動時接收波形2的方波上升沿在接收波形1的高電平區(qū);

        當(dāng)伺服電機(jī)帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn),則可得到接收信號1和接收信號2(取反)反向轉(zhuǎn)動時的波形,如圖6所示。

        由圖6可知,反向轉(zhuǎn)動時接收信號2(取反)的方波上升沿在接收波形1的高電平區(qū)。

        圖4 整形后的波形

        圖5 正向轉(zhuǎn)動時波形

        圖6 反向轉(zhuǎn)動時波形

        由圖5和圖6分析而得,正向和反向轉(zhuǎn)動時的波形符合正交編碼技術(shù)的波形特征;由此,可依據(jù)正交編碼技術(shù)檢測控制激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件,以使SCAN功能穩(wěn)定可靠的運行。

        2.4 正交編碼技術(shù)中的控制與算法

        依據(jù)正交編碼技術(shù),設(shè)置兩路計數(shù)器,一路讀取正向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)1,另一路讀取反向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)2。在啟動SCAN功能后,默認(rèn)激光掃描系統(tǒng)正向轉(zhuǎn)動,此時A1和A2的初始值設(shè)定應(yīng)滿足:A1-A2=n/2,其中n為光柵齒盤的凸齒數(shù);SCAN功能角度設(shè)定值I、正向轉(zhuǎn)動界限設(shè)定值C1和反向轉(zhuǎn)動界限設(shè)定值C2應(yīng)滿足以下要求:

        1)當(dāng) C1>C2 時,C2+I/2=n/2,或當(dāng) C2>C1 時,C1+I/2=n/2;

        2)|C1-C2|=I;

        在SCAN功能運行過程中,控制伺服電機(jī)使激光掃描系統(tǒng)反向轉(zhuǎn)動的條件是計數(shù)器計數(shù)值滿足以下條件中的任意一個:

        1)A1<n,A2<n,A1>A2,且 A1-A2≥C1 ;

        2)A1<n,A2<n,A2>A1,且 A1+n-A2≥C1;

        控制伺服電機(jī)使激光掃描系統(tǒng)正向轉(zhuǎn)動的條件是計數(shù)器計數(shù)值滿足以下條件中的任意一個:

        1)A1<n,A2<n,A1>A2,且 A1-A2<C2;

        2)A1<n,A2<n,A2>A1,且 A1+n-A2<C2;

        如此,即可控制伺服電機(jī)帶動激光掃描系統(tǒng)在設(shè)定值為I的圓周角內(nèi)往復(fù)運動,從而在激光水平儀的工作面上投射出一個穩(wěn)定的扇形水平面。

        另外,在實際應(yīng)用中,實驗發(fā)現(xiàn)不同的扇面角度采用不動的伺服電機(jī)驅(qū)動電壓更加有利于SCAN功能的運行。

        3 結(jié)語

        經(jīng)過實驗測試,將正交編碼技術(shù)應(yīng)用在激光水平儀的SCAN功能上,有效提高了SCAN功能的穩(wěn)定性,消除了激光投射扇面角度漂移抖動等問題,進(jìn)一步拓展了激光水平儀的應(yīng)用。

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