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案例頻道楊志成1，張利霞2，周雪蓮1
（1．北京市化工學(xué)校，北京 朝陽 郵編100023；2．北京聯(lián)合大學(xué)，北京 西城 郵編100009）
引言
小區(qū)域坐標(biāo)測量技術(shù)有著重要的工程應(yīng)用價(jià)值，坐標(biāo)傳感器是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵部件，采用光電元件設(shè)計(jì)是因?yàn)橐云涓呔?、高分辨率、大動態(tài)范圍，利用光敏元件上的光電流隨光強(qiáng)變動而變化這一現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何增量，設(shè)計(jì)成光電傳感器，可廣泛地應(yīng)用于靜態(tài)測量、動態(tài)測量及自動化控制等領(lǐng)域。為了滿足實(shí)際工程的需要，小區(qū)域坐標(biāo)測量技術(shù)正逐步受到重視，但是目前關(guān)于傳感器應(yīng)用的文獻(xiàn)中，對此方面論述的不多。本文就傳感器的工作原理、電路設(shè)計(jì)、及其應(yīng)用和檢測信息的處理方法進(jìn)行了論述。
1 光電傳感器工作原理
光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉(zhuǎn)換成電信號的輸出。常用的光電傳感器是采用發(fā)光二極管作為光源，光源經(jīng)過透鏡聚焦于空間某一點(diǎn)。如果在該點(diǎn)有障礙物，光就照不到光敏二極管上，電路處于偏置狀態(tài)，PN結(jié)截止，反向電流很小。當(dāng)沒有障礙物遮擋時(shí)，光照到光敏二極管上時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子――空穴對，并在外.電場和內(nèi)電場的共同作用下，漂移過PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照強(qiáng)度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
具體方法是在光源側(cè)使用發(fā)光二極管，在受光側(cè)使用光敏二極管，并將信號處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點(diǎn)是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復(fù)雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMLS電路芯片連接。
2 光電傳感器測量位移和方向的工作原理
2.1傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如果將被測旋轉(zhuǎn)圓盤置于光電斷續(xù)器的發(fā)光與受光側(cè)之間，圓盤上有許多狹縫，圓盤旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光間隔地被狹縫遮擋，受光側(cè)得到斷續(xù)的強(qiáng)光和弱光信號。如圖（一）所示，若旋轉(zhuǎn)圓盤沒有旋轉(zhuǎn)，光路檢測的光束沒有被遮擋，測量電路中，X光敏二極管上輸出電壓波形，Y光敏二極管上的輸出電壓波形是相同的，相位是相差π/2的。若圓盤旋轉(zhuǎn)，雙輸出型的輸出電壓波形如圖（二）所示，（僅畫出Q1的時(shí)序圖，Q2的時(shí)序圖道理一樣）圓盤轉(zhuǎn)動方向若向左，Q2輸出電壓相位落后被屏蔽；反之，圓盤向右旋轉(zhuǎn)，Q1輸出電壓相位超落后被屏蔽。因此，兩個(gè)輸出電壓的相位關(guān)系反映圓盤的旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的位移可以通過Q1，Q2輸出脈沖個(gè)數(shù)的代數(shù)和得到。
圖（一）
圖（二）
2.2 傳感器的電路設(shè)計(jì)
X光敏二極管與Y光敏二極管在相位上相差π/2，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差π/2。當(dāng)圓盤作正向轉(zhuǎn)動時(shí)， X信號超前Y信號。因?yàn)殡娐繁容^復(fù)雜，采用美國Lattice半導(dǎo)體公司推出的ispEXPXRT軟件對CPLD器件進(jìn)行硬件編程，如圖（三）所示電路圖是基于CPLD設(shè)計(jì)的。或門C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q1的置位端只許X產(chǎn)生的正脈沖通過，而D鎖存器Q2因?yàn)镃1作用時(shí)Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在加減計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算。當(dāng)圓盤作反方向轉(zhuǎn)動時(shí)，則Y產(chǎn)生的負(fù)值信號超前X產(chǎn)生的信號，或門C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q2的置位端只讓Y產(chǎn)生的負(fù)脈沖通過，而D鎖存器Q1因?yàn)镃1作用時(shí)X信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q1輸出低電平，門電路在可逆計(jì)數(shù)器中作減法運(yùn)算。這樣就完成了辨向過程。OUT0是輸出，OUT1是進(jìn)位，Z是控制端輸入。工作原理圖如圖（四）所示。
圖（三）
圖（四）
3． 光電式坐標(biāo)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及坐標(biāo)算法
3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)需要設(shè)計(jì)傳感器的測量精度及范圍。精度可以通過計(jì)算圓盤上的狹縫密度完成，傳感器圓盤的形狀及尺寸大小由測量范圍來確定，整個(gè)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖（五）所示。
圖（五）
測量結(jié)構(gòu)如圖（六）所示，由四個(gè)光敏二極管(元件1、2、4、6)、兩個(gè)光源（發(fā)光二極管3、5）、位移圓盤7、方向圓盤9及傳動軸8組成。將傳感器垂直配置，分別代表位移z和
移動方向 ，組成一個(gè)二維傳感器。
圖（六）
3.2 坐標(biāo)算法
當(dāng)被測物坐標(biāo)發(fā)生時(shí)，圓盤7轉(zhuǎn)動，光敏二極管4和光敏二極管6通道的信號發(fā)生變化，通過接口電路自動傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，計(jì)算機(jī)自動對輸入通道的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果前進(jìn)或者后退的角度發(fā)生變化，位移圓盤9角度也隨著發(fā)生變化，通過傳動軸轉(zhuǎn)動帶動方向圓盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，使得圓盤9上的狹縫通斷光敏二極管上的光照，發(fā)出與前進(jìn)或后退相應(yīng)的電脈沖信號，通過接口電路自動傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里，對輸入通道的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，形成數(shù)據(jù)庫，以備計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)計(jì)算確定自身的坐標(biāo)位置，并通過相應(yīng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。相對坐標(biāo)XN 、YN 計(jì)算公式如下：
XN=Z*cos YN =Z*sin
為了確保測量精度，計(jì)算機(jī)的采樣時(shí)間不能太大，應(yīng)該接近光電傳感器的反映時(shí)間，最好同步，或者成倍數(shù)關(guān)系。
3.3坐標(biāo)與電壓的轉(zhuǎn)換
根據(jù)光――電轉(zhuǎn)換原理，輸出的電壓變化規(guī)律也正好是周期變化，變化的靈敏度與狹縫之間的距離有關(guān)，狹縫之間的距離可以根據(jù)需要加工，但受到工藝和技術(shù)水平的限制，也可以通過計(jì)算機(jī)特性補(bǔ)償?shù)玫健?nbsp;
3.4輸入信號的線性化處理
若輸入與輸出量之間為直線性比例關(guān)系，稱為線性關(guān)系。然而理想的線性關(guān)系的傳感器極少。為了實(shí)現(xiàn)其線性化可采用電子電路，也可以使用計(jì)算機(jī)的修正功能。
4 測試結(jié)果
將自行設(shè)計(jì)的傳感器，應(yīng)用于足球機(jī)器人場地與球門的坐標(biāo)位置測試，在 1.000 m×1.000 m的平面場地上進(jìn)行測試，測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比較如下：
|
測試序號 |
XN測量數(shù)據(jù)（m） |
XN實(shí)際數(shù)據(jù)(m) |
誤差(%) |
|
1 |
0.020 |
0.020 |
0.00 |
|
2 |
0.230 |
0.228 |
0.86 |
|
3 |
0.340 |
0.337 |
0.88 |
|
4 |
0.290 |
0.288 |
0.68 |
|
測試序號 |
YN測量數(shù)據(jù)（m） |
YN實(shí)際數(shù)據(jù)(m) |
誤差(%) |
|
1 |
0.370 |
0.368 |
0.51 |
|
2 |
0.770 |
0.765 |
0.66 |
|
3 |
0.150 |
0.149 |
0.67 |
|
4 |
0.800 |
0.797 |
0.38 |
上圖表明在較小的區(qū)域內(nèi)，采用低成本的組合傳感器完成坐標(biāo)的自動檢測，并且輸出比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)論
通過本文給出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出光電式坐標(biāo)傳感器，它具有集成化特點(diǎn)，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于靜態(tài)測量、動態(tài)測量及自動化控制等領(lǐng)域。因此，光電式坐標(biāo)傳感器具有廣泛的實(shí)用性。缺點(diǎn)：測量中注意傳感器測量地連續(xù)性，不可中途中斷使用，需要專業(yè)安裝技能，光源應(yīng)與使用場合匹配。需要今后在此方面不斷的努力，改進(jìn)和完善坐標(biāo)傳感器的功能。
參考文獻(xiàn)
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何希才，傳感器及其應(yīng)用 國防工業(yè)出版社 2001.5
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作者簡介：楊志成（1969―）男， 大本，儀表實(shí)驗(yàn)教師，儀表技師，長期從事智能儀表、數(shù)字電路等教學(xué)科研工作。
張利霞，女，在職研究生，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用的教學(xué)科研工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號