一种角位移测量仪的研制

　　0　引　　言

　　用于光学测量投影仪的角位移测量仪被广泛地应用在精密测量和微机械制造中,人们对这种测量仪的测量精度和可靠性提出了更高的要求[1-5]。目前,许多位移测量仪采用单片机对Z旋转方向的位移信息进行处理,并用软件技术进行计数[6-7]。这种方法的主要缺点在于不能对高速脉冲进行计数,从而产生漏计数现象,影响了测量精度[8]。本文介绍了一种方法以克服上述方法的不足之处,该方法引入硬件电路对角位移信号进行辨向和计数,然后对得到的角位移测量值进行误差修正,就可实现对角位移量的准确测量。

　　1　测量原理及结构

　　1.1　旋转编码器

　　旋转编码器主要由光栅盘和指示光栅盘组成,其中光栅盘的一个侧面安装了光源,指示光栅盘的另一个侧面安装了光电转换器件。当光栅盘相对于指示光栅盘旋转时,光电转换器检出A、B两路具有90°位相差的近似正弦波。A、B两路信号经过前置放大器、电压比较器及施密特电路后,转变为分别用a、b表示的正交信号。图1所示的是旋转编码器输出的正交信号的示意图。

　　设N为编码器每转输出脉冲数,T=360(/N时,绝对角度误差小于0.2T,且有下式

　　式(3)中Xn为输出信号的相位差,n= 1,2,3,4。当旋转编码器用于光学测量投影仪时,光学测量投影仪对角位移的测量是通过其旋转屏幕带动旋转编码器旋转,再由角位移测量仪读取旋转编码器的输出信号并进行处理,最后得到相应的角位移信息。根据光学测量投影仪的角位移测量要求及旋转编码器的工作特性,可以选取增量式旋转编码器,其输出形式为差动TTL信号,每转输出2048个脉冲。由于本实验中光学测量投影仪的旋转屏幕与旋转编码器的变速比是15∶1,因此通过计算可以得到脉冲当量为

　　1.2　系统结构

　　角位移测量仪是由旋转编码器、辨向电路、信号计数电路、微处理器系统、键盘、LED显示器组成,其中微处理器系统主要由缓冲器、存储器和微处理器组成。缓冲器由3片74LS244构成,它可暂时存储可逆计数器UZ1~ UZ4的计数值。图2所示是角位移测量仪的系统结构图。

　　实验中,旋转屏幕带动旋转编码器旋转时,旋转编码器输出相位相差90°的两路正交信号,该信号经过辨向和计数,由硬件电路将反映Z旋转方向的角位移计数值暂时存放在缓存器中,等待微处理器进行采集。微处理器P89C58经过数据总线采集缓存器中的计数值,得到3个字节二进制的测量数据并送入内存,进行计算和处理,得到十进制的测量数据,然后进行误差修正,最后将修正后的位移数据存储在SRAM存储器中,同时送LED显示器进行显示。LED显示器由6位LED数码管组成,它显示Z旋转方向的角位移测量值。其中,最高一位LED表示旋转屏幕上测量点相对于参考点的顺时针、逆时针方向,其余5位LED显示角位移测量值,它们对微处理器送入的数据进行动态显示。