光电式坐标传感器的设计0轴流风机

光电式坐标传感器的设计

光电式坐标传感器的设计 2011年12月04日 来源： 引言小区域坐标测量技术有着重要的工程应用价值，坐标传感器是这一领域的关键部件，采用光电元件设计是因为以其高精度、高分辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这一现象实现几何增量，设计成光电传感器，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。为了满足实际工程的需要，小区域坐标测量技术正逐步受到重视，但是目前关于传感器应用的文献中，对此方面论述的不多。本文就传感器的工作原理、电路设计、及其应用和检测信息的处理方法进行了论述。1、光电传感器工作原理光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。2、光电传感器测量位移和方向的工作原理2.1 传感器的结构设计如果将被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间，圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。如图1所示，若旋转圆盘没有旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，X光敏二极管上输出电压波形，Y光敏二极管上的输出电压波形是相同的，相位是相差π/2的。若圆盘旋转，双输出型的输出电压波形如图2所示，（仅画出Q1的时序图，Q2的时序图道理一样）圆盘转动方向若向左，Q2输出电压相位落后被屏蔽；反之，圆盘向右旋转，Q1输出电压相位超落后被屏蔽。因此，两个输出电压的相位关系反映圆盘的旋转方向，圆盘的位移可以通过Q1，Q2输出脉冲个数的代数和得到。

图1

图2

2.2 传感器的电路设计X光敏二极管与Y光敏二极管在相位上相差π/2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π/2。当圆盘作正向转动时， X信号超前Y信号。因为电路比较复杂，采用美国Lattice半导体公司推出的ispEXPXRT软件对CPLD器件进行硬件编程，如图3所示电路图是基于CPLD设计的。或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的置位端只许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在加减计数器中作加法运算。当圆盘作反方向转动时，则Y产生的负值信号超前X产生的信号，或门C1产生的信号作为D锁存器Q2的置位端只让Y产生的负脉冲通过，而D锁存器Q1因为C1作用时X信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q1输出低电平，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。工作原理图如图4所示。

图3

图4

3、光电式坐标传感器的结构设计及坐标算法3.1 结构设计在实际的设计过程中，首先根据需要设计传感器的测量精度及范围。精度可以通过计算圆盘上的狭缝密度完成，传感器圆盘的形状及尺寸大小由测量范围来确定，整个传感器系统结构框图如图5所示。

图5

测量结构如图6所示，由四个光敏二极管(元件1、2、4、6)、两个光源（发光二极管3、5）、位移圆盘7、方向圆盘9及传动轴8组成。将传感器垂直配置，分别代表位移z和Φ移动方向 ，组成一个二维传感器。

图6

3.2 坐标算法当被测物坐标发生时，圆盘7转动，光敏二极管4和光敏二极管6通道的信号发生变化，通过接口电路自动传输到计算机里，计算机自动对输入通道的信号进行数据采集。如果前进或者后退的角度发生变化，位移圆盘9角度也随着发生变化，通过传动轴转动带动方向圆盘产生转动，使得圆盘9上的狭缝通断光敏二极管上的光照，发出与前进或后退相应的电脉冲信号，通过接口电路自动传输到计算机里，对输入通道的信号进行数据采集。并将采集的数据进行储存，形成数据库，以备计算机通过数据计算确定自身的坐标位置，并通过相应接口进行数据输出。相对坐标XN 、YN 计算公式如下：XN=Z*cosYN =Z*sin 为了确保测量精度，计算机的采样时间不能太大，应该接近光电传感器的反映时间，最好同步，或者成倍数关系。3.3 坐标与电压的转换根据光——电转换原理，输出的电压变化规律也正好是周期变化，变化的灵敏度与狭缝之间的距离有关，狭缝之间的距离可以根据需要加工，但受到工艺和技术水平的限制，也可以通过计算机特性补偿得到。 3.4 输入信号的线性化处理若输入与输出量之间为直线性比例关系，称为线性关系。然而理想的线性关系的传感器极少。为了实现其线性化可采用电子电路，也可以使用计算机的修正功能。4、测试结果将自行设计的传感器，应用于足球机器人场地与球门的坐标位置测试，在 1.000 m×1.000 m的平面场地上进行测试，测量数据与实际数据比较如下：

表1

上图表明在较小的区域内，采用低成本的组合传感器完成坐标的自动检测，并且输出比较稳定，抗干扰能力强，达到预期设计要求。 5、结论通过本文给出的设计方法，设计出光电式坐标传感器，它具有集成化特点，灵敏度高，抗干扰性强、体积小等特点，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。因此，光电式坐标传感器具有广泛的实用性。缺点：测量中注意传感器测量地连续性，不可中途中断使用，需要专业安装技能，光源应与使用场合匹配。需要今后在此方面不断的努力，改进和完善坐标传感器的功能。(end)

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