基于光栅位移传感器硬件电路设计
基于光栅传感器位移测量的设计
基于光栅传感器位移测量的设计摘要随着科技的不断发展，位移测量在工业应用中起到了至关重要的作用。
本文介绍了一种基于光栅传感器的位移测量设计。
通过对光栅传感器的原理和特点进行介绍，设计了一种能够精准测量物体位移的系统方案。
通过采用光栅传感器的多通道输出和信号处理技术，实现了高分辨率和高精度的位移测量。
此外，本文还介绍了系统的硬件组成和软件流程，并通过实验验证了设计的可行性和准确性。
最后，本文对该设计的优点和不足进行了分析，并提出了进一步改进的建议。
1.引言位移测量在工业应用中具有重要的意义。
通过准确测量物体的位置和移动速度，可以实现对工业生产过程的控制和监测，提高生产效率和质量。
传统的位移测量方法有很多局限性，例如测量范围有限、精度不高等。
光栅传感器作为一种新型的位移测量技术，具有测量范围广、精度高、可靠性强等优点，逐渐成为位移测量领域的热门技术。
本文将介绍一种基于光栅传感器的位移测量设计。
2.光栅传感器的原理和特点光栅传感器是一种通过测量光路中的光学信号来进行位移测量的装置。
其原理是利用光源通过光栅产生干涉条纹，通过测量干涉条纹的变化来计算位移。
光栅传感器的特点包括：测量范围广、测量精度高、快速响应、线性度好等。
3.设计方案本文设计的光栅传感器位移测量系统采用了多通道输出和信号处理技术，从而实现了高分辨率和高精度的位移测量。
（1）硬件设计：系统由光源、光栅、光电二极管等组成。
光源通过光栅产生干涉条纹，通过光电二极管接收干涉光信号。
光栅的选取和光源的光强调整对位移测量的精度具有重要影响。
（2）软件流程：系统通过采集光电二极管输出的信号并进行数学处理，得到物体的位移结果。
信号处理算法包括傅里叶变换、滤波、幅度调整等。
4.实验验证为了验证设计的可行性和准确性，进行了一系列实验。
首先，测量了不同位移下光栅传感器的输出信号，并分析了信号变化规律。
然后，通过与激光干涉仪测得的位移进行对比，验证了系统的测量精度。
光栅四倍频细分电路模块的分析与设计
给出一种新的光栅位移传感器的四倍频细分电路设计方法.采用可编程逻辑器件(CPLD)设计了一种全新的细分模块，利用Verilog HDL语言编写四倍频细分、辨向及计数模块程序,并进行了仿真.仿真结果表明，与传统方法相比，新型的设计方法开发周期短，集成度高，模块化，且修改简单容易．关键词：光栅位移传感器；四倍频细分；可编程逻辑器件(CPLD)光栅位移传感器是基于莫尔条纹测量的一种传感器，要提高其测量分辨率，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节．在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度．四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路.能够实现四倍频的电路结构很多，但在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高,使传感器整体性能下降．作者在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的四倍频电路实现方案，并对这两种方案的结构和使用方法进行了比较和仿真．1 四倍频电路设计原理光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B.如图l所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数．光栅信号A，B有以下关系．①当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：00→10→11→01→00．这样,如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数,一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数．②当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：00→01→11→10→00．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数．③当线路受到干扰或出现故障时,可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作．综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图(见图2)，其中“+”、“-”分别表示计数器加／减1,“0”表示计数器不动作．2 传统模拟细分电路传统的倍频计数电路如图3所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路3部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器LM339组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管T a和Tb上，它们输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，从LM339输出电压信号Ua,Ub整形后送到辨向电路中．芯片7495的数据输入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脉冲由单片机的ALE端提供．然后信号经过与门Y1,Y2和或门E1，E2，E3组成的电路后，送到由2片74193串联组成的8位计数器．单片机通过P1口接收74193输出的8位数据，从而得到光栅的位置采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降．3 基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计采用CPLD实现光栅传感器信号的处理示意图如图4所示，即将图3中3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片CPLD芯片中，实现高集成化.由于工作现场的干扰信号使得光栅尺输出波形失真，所以将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入CPLD，由CPLD对脉冲信号计数和判向，并将数据送入内部寄存器．3．1 CPLD芯片的选择CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX7000系列产品EPM7128S，该芯片具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点，可用门单元为2 500个，管脚间最大延迟为5μs工作电压为+5 V.仿真平台采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ进行开发设计．3．2 四细分与辨向电路四细分与辨向模块逻辑电路如图5所示，采用10MB晶振产生全局时钟CLK，假设信号A超前于B时代表指示光栅朝某一方向移动，A 滞后于B时表示光栅的反方向移动．A，B信号分别经第一级D触发器后变为A＇，B＇信号，再经过第二级D触发器后变为A″，B″信号．D 触发器对信号进行整形，消除了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A，B，因而提高了系统的抗干扰性能．在四倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑器件对A＇A″，B＇B″信号进行逻辑组合得到两路输出脉冲：当A超前于B时，ADD为加计数脉冲，MIMUS保持高电平；反之，当A滞后于B时，ADD保持高电平,MINUS为减计数脉冲．对比图5和图2可以看出，新型设计方法使用的器件数较传统方法大大减少，所以模块功耗显著降低.系统布线在芯片内部实现，抗干扰性强.由于采用的是可编程逻辑器件，对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可，不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板，使得系统的升级和维护的便捷性大大提高.4 四倍频细分电路模块的仿真根据图2所示的状态转换图，利用硬件描述语言Verilog HDL描述该电路功能，编程思想为将A，B某一时刻的信号值的状态合并为状态的判断标志state，并放入寄存器prestate．当A，B任一状态发生变化时，state值即发生改变，将此时的state值与上一时刻的prestate 进行比较，则能根据A，B两个脉冲的状态相对变化确定计数值db的加减，得出计数器输出值的加减标志．仿真结果如图6所示．当信号A上跳沿超前于B时，计数值db进行正向计数；当A上跳沿滞后于B时，计数值db进行反向计数．即db将细分、辨向、计数集于一身，较好地实现了光栅细分功能．比较图3和图5可以看出，用FPGA设计信号处理模块，设计过程和电路结构更加简洁.另外,在应用中需注意FPGA时钟周期应小于光栅信号脉冲的1／4.5 结论①新型设计方法结构简单，集成度高，比传统设计方法所用器件数大大减少．②集成化设计使系统功耗降低，抗干扰性增强．③用Verilog HDL设计电路，改变电路结构只需修改程序即可，且系统维护和升级的便捷性提高．。
基于光栅传感技术的测控系统设计
基于光栅传感技术的测控系统设计【摘要】本文主要介绍了基于光栅传感技术的测控系统设计。
在引言中，阐述了研究背景、研究目的和研究意义。
正文部分包括光栅传感技术原理、测控系统设计需求分析、光栅传感技术在测控系统中的应用、基于光栅传感技术的测控系统设计方案以及系统性能评价。
结论部分总结了基于光栅传感技术的测控系统设计，展望未来研究方向，并提出结论。
本文旨在探讨光栅传感技术在测控系统中的应用，为相关领域的研究和开发提供参考和借鉴。
【关键词】光栅传感技术、测控系统、设计、需求分析、应用、方案、性能评价、结论、未来研究方向、研究背景、研究目的、研究意义。
1. 引言1.1 研究背景随着我国经济的不断发展和技术水平的提升，对高精度测控系统的需求日益增加。
目前国内对于光栅传感技术在测控系统中的应用研究还比较缺乏，相关的理论研究和实践经验有待进一步积累。
开展基于光栅传感技术的测控系统设计研究具有十分重要的意义，不仅可以提高系统的性能和精度，同时也可以推动我国测控技术的发展和提升。
为此，本研究旨在探讨基于光栅传感技术的测控系统设计，旨在提高系统的精度和稳定性，为我国测控技术的发展做出贡献。
1.2 研究目的研究目的：本研究旨在探讨基于光栅传感技术的测控系统设计，通过对光栅传感技术原理的深入理解和系统性能评价，以及测控系统设计需求分析和应用实践，实现提高测控系统的精度和稳定性，满足工业生产和科研实验中对精密测量和控制的需求。
通过研究光栅传感技术在测控系统中的应用，探索其在实际工程中的优势和限制，为未来基于光栅传感技术的测控系统设计提供参考和指导。
通过总结和展望基于光栅传感技术的测控系统设计，为相关领域的研究和应用提供理论和实践支撑，推动测控技术的发展和创新。
本研究旨在填补相关领域的研究空白，促进测控系统技术的进步和应用推广。
1.3 研究意义基于光栅传感技术的测控系统设计不仅可以满足高精度、高稳定性的需求，还可以提高系统的自动化程度、减少人工操作的误差。
基于光栅传感技术的测控系统设计
基于光栅传感技术的测控系统设计摘要：现在光栅作为精密测量的一种工具，在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛应用，尤其被广泛应用在机器人生产线等设备中。
文章介绍了由光栅位移传感器构成的全自动金属带锯床测控系统。
全自动金属带锯床在单片机系统的控制下，完成被锯毛坯材料的输送、夹具的夹紧/放松、锯切长度的测量、定位和切断等工作。
操作人员只要按要求输入所需材料的尺寸和根数，锯床就能自动完成预定的工作。
由于使用了光栅式位移传感器，锯床的测量和定位总误差小于0.1mm。
该系统以AT89C51单片机为核心，扩展了8279等其他逻辑芯片。
为了增加系统的抗干扰能力，使其能在操作现场恶劣的电气环境下工作，该系统采用了光耦合器、电源净化等必要措施。
关键词：光栅；位移传感器；单片机中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2020）10-0361-02收稿日期：2019-06-04项目名称：本文系2017年广东省科技计划项目：机器人技术教育与竞赛科普系列活动（2017A070712009）研究成果作者简介：丁瑞昕（1973-），女（汉族），辽宁鞍山人，硕士，副教授，近期主要研究方向：机器人测控传感系统、无线智能通信系统等。
一、选题背景及目的随着现代制造业朝着高效、高精度和经济性的方向发展，锯切作为进切加工的起点，已成为零件加工过程中重要的组成环节。
其优点是可以节约材料、减少二次加工量和提高生产效率。
现在光栅式位移传感器广泛应用在自动生产线上。
在目前的全自动金属带锯床中，采用了光栅式位移传感器构成的测控系统，从而使锯床的测量和定位误差大大减小。
二、研究内容及方法在机械加工工艺中，“下料”工序往往被工艺设计者和工时计算者忽略。
作为辅助工序，下料的效率和精确度的要求也自然被降低。
但正是这种忽视，大大增加了工件的二次加工量，延长了工件整个加工工时。
要想有效解决这个问题，可行的做法就是使用高精度、高效率的下料锯切机床。
光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计
光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计一、硬件电路结构设计1.传感器接口设计光栅式位移传感器通常采用模拟输出或数字输出方式。
对于模拟输出的传感器，可以通过模数转换器(ADC)将其输出信号转换为数字信号，然后再输出给控制器进行处理。
而对于数字输出的传感器，则可以直接与控制器相连。
2.信号放大与滤波设计光栅式位移传感器输出的信号通常较小，需要经过放大电路放大后才能被控制器接收到。
在设计信号放大电路时，需要考虑到传感器输出信号的幅值范围，选择合适的放大倍数。
同时，为了保证测量精度，还需要考虑信号的噪声与干扰，设计合适的滤波电路来滤除干扰信号。
3.电源供应设计测控系统的硬件电路需要提供稳定可靠的电源供应。
对于光栅式位移传感器，通常需要提供较低的电源电压，以减少对传感器的电磁干扰。
另外，为了防止电源波动对测量结果的影响，还需要设计合适的电源滤波电路。
4.数据处理与传输设计在测控系统中，硬件电路需要设计相应的数据处理与传输电路。
对于模拟输出的传感器，数据处理电路通常包括模数转换器和数据处理芯片，用于将模拟信号转换为数字信号并进行处理；对于数字输出的传感器，则可以直接使用数字输入输出接口进行数据传输。
二、硬件电路参数选择1.传感器参数选择在设计测控系统的硬件电路时，需要根据实际需求选择合适的光栅式位移传感器。
传感器的参数选择包括分辨率、灵敏度、工作范围等。
分辨率指的是传感器能够测量的最小位移变化量，是衡量传感器测量精度的重要指标；灵敏度指的是传感器输出值随位移变化的速率，是衡量传感器灵敏度的指标；工作范围指的是传感器能够正常工作的位移范围。
2.放大电路参数选择放大电路的参数选择需要根据测量信号的幅值范围和噪声水平来决定。
信号放大倍数的选择需要考虑到测量信号的幅值范围以及控制器的输入电压范围，一般选择合适的放大倍数以保证信号的有效性和控制器的工作范围。
滤波电路的参数选择需要根据测量信号的频率特性和干扰信号的特性来决定，一般采用低通滤波器来滤除高频噪声。
基于FPGA光栅位移测量系统的设计
基于FPGA光栅位移测量系统的设计作者：汤攀张厚武付惠茹来源：《电子技术与软件工程》2017年第09期摘要介绍一种基于FPGA光栅位移测量系统。
说明光栅信号细分和测量原理，运用最小二乘法，设计一个具有测量点、线、圆等功能的光栅测量系统，解决目前光栅测量系统速度慢、实时性差、功能单一、界面不友好等问题。
通过Verilog实现该系统的辨向电路、计数电路等，并运用EDA综合仿真软件进行仿真试验。
试验表明：此系统简化仪器电路，降低仪器的成本，提高仪器可靠性。
【关键词】FPGA 光栅信号 Verilog 辨向电路计数电路1 概述光栅位移传感器是基于光栅莫尔条纹信息变换原理的模–数传感器[1]，光栅信号由于不受时间影响、抗干扰力强等优点，光栅传感器位置测量技术在医疗设备、精密现代化加工设备等方面得到了广泛的应用。
目前光栅位移测量系统方案主要包括：光栅位移信号处理电路（滤波、降噪等）、控制单元、LCD显示电路及功能键。
这些方案实现的方法各不相同，也各有不足[2，3]。
例如：刘翠玲，赵权等人[2]提出运用单片机作为处理芯片，存在控制速度慢，精度低等不足；谢敏[3]提出使用一片FPGA芯片完成细分、辨向计数等功能，提高了数据处理的实时性，但存在人机界面不友好等不足。
针对目前光栅测量方案的不足，本文以FPGA为主芯片，采集光栅信号并对光栅进行细分，运用Verilog HDL语言对FPGA进行硬件编程，使FPGA实现细分、辨向、计数等功能，大大减轻单片机的负担，并运用单片机读取计数器的值并进行数学处理，使系统实现点、线、圆的测量等功能，最后用液晶显示屏显示结果或通过USB口将所测的元素上传到上位机后在屏幕上描绘出来，形成一个高速、人机界面友好、低成本、高精度的多功能测量系统，满足机床测量的需求。
2 系统总体设计该测量系统选用低成本的新天光电50线/mm的光栅传感器，当它正常工作的时候，输出相差为900的TTL方波信号A+、B+和它的反信号A-、B-，以及R+和其反信号R-即参考点信号三组信号。
基于51的光栅位移检测装置的设计
基于51的光栅位移检测装置的设计光栅位移检测装置是一种用于实时测量物体运动状态和位置的高精度检测装置。
本文将介绍基于51单片机的光栅位移检测装置的设计方案。
首先，我们需要了解光栅位移检测装置的原理。
光栅是由若干个平行的透明和不透明带组成的，当光线照射到光栅上时，通过等距离的光学系统形成的像点阵，可以通过像点位置移动的方式来测量物体的位移。
在本设计方案中，我们将使用两个光栅和一个反射片来实现测量物体的位移。
其中一个光栅作为发射光栅，另一个作为接收光栅，两个光栅之间的距离即为测量范围。
当物体顺着测量范围运动时，反射片会将光栅反射回发射光栅，形成一条条亮暗相间的条纹。
通过记录条纹的数量和位置，可以计算出物体的位移量。
整个系统的核心是51单片机，它负责控制发射光栅和接收光栅的工作，同时采集反射片反射回来的光信号并进行信号处理和数据计算。
具体的设计步骤如下：1. 确定光栅和反射片位置在实际应用中，需要根据实际要测量的物体大小和位移范围，确定发射光栅和接收光栅的距离以及反射片的位置。
一般来说，发射光栅和接收光栅间距越大，测量范围也就越大，精度也就越高。
反射片应该放置在物体底部，确保在位移时始终与光栅保持垂直。
2. 确定光栅频率光栅频率是指单位长度内的光栅条数，频率越高，精度也就越高。
在实际应用中，可以根据需要选择不同的光栅频率。
3. 确定光电转换电路光电转换电路是用于将光信号转化为电信号的重要部分。
一般来说，光电二极管或光敏电阻是常用的光电转换器件。
电路设计需根据实际应用进行优化。
4. 确定数据采集与处理方法数据采集与处理是整个系统的核心，一般采用51单片机或者ARM等处理器芯片进行数据采集、处理、存储及通信。
本设计中，选择51单片机进行数据采集和处理，通过中断方式采集反射回来的光信号，并进行信号处理和数据计算。
5. 电路实现和调试根据以上设计步骤，可以实现整个系统的电路设计，需要进行实物搭建和调试。
在调试过程中，需要注意电路的稳定性、信号通量和干扰等问题，确保系统的精度和稳定性。
检测与转换技术课程设计-----光栅位移传感器
检测与转换技术课程设计-----光栅位移传感器学院：专业：班级：学号：姓名：指导老师：摘要提出了一种基于89C2051单片机开发的光栅位移传感器对线性位移进行测量的方法。
其硬件设计包括数据采集、辨向、数据处理和数据显示。
把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器8253计数，利用89C2051单片机进行信号处理，最终转换成实际的线性位移值显示出来。
与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。
光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。
光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量［。
将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。
关键词：位移、计量光栅、莫尔条纹、辨向、细分、加/减计数器、89C2051单片机、光栅位移传感器光栅目录1概述 (3)2总体方案设计 (4)2.1设计目的 (4)2.2设计方案及系统框图 (4)2.3光栅位移传感器的原理 (5)3各部分电路设计 (6)3.1数字滤波电路 (6)3.2辨向、细分与四倍频电路原理 (6)3.2.1 辨向原理 (6)3.2.2 细分技术 (7)3.2.3 四倍频电路设计原理 (7)3.3辨向与细分电路设计 (9)3.3.1传统模拟细分电路 (9)3.3.2 基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计 (10)3.3.3 CPLD芯片的选择 (11)3.3.4四细分与辨向电路 (11)3.3.5四倍频细分电路模块的仿真 (12)3.4计数电路 (13)3.5 译码驱动和显示电路 (15)4总体电路设计 (16)5总结与体会 (17)6参考文献 (15)7附录 (18)7.1、电路特点 (18)7.2、各脚功能详解 (18)1概述位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
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基于光栅位移传感器硬件电路设计
光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用［1，2］。
光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量［3］。
将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量精度。
本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），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。
1 硬件电路
本设计的硬件电路主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。
如图1所示。
1．1 光栅位移传感器
光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。
光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。
光电接受系统是由光敏元件组成，他。