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案例頻道楊志成1，張利霞2，周雪蓮1
（1．北京市化工學校，北京 朝陽 郵編100023；2．北京聯合大學，北京 西城 郵編100009）
引言
小區域坐標測量技術有著重要的工程應用價值，坐標傳感器是這一領域的關鍵部件，采用光電元件設計是因為以其高精度、高分辨率、大動態范圍，利用光敏元件上的光電流隨光強變動而變化這一現象實現幾何增量，設計成光電傳感器，可廣泛地應用于靜態測量、動態測量及自動化控制等領域。為了滿足實際工程的需要，小區域坐標測量技術正逐步受到重視，但是目前關于傳感器應用的文獻中，對此方面論述的不多。本文就傳感器的工作原理、電路設計、及其應用和檢測信息的處理方法進行了論述。
1 光電傳感器工作原理
光電傳感器的基本轉換原理是將被測量參數轉換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件轉換成電信號的輸出。常用的光電傳感器是采用發光二極管作為光源，光源經過透鏡聚焦于空間某一點。如果在該點有障礙物，光就照不到光敏二極管上，電路處于偏置狀態，PN結截止，反向電流很小。當沒有障礙物遮擋時，光照到光敏二極管上時，PN結附近產生電子――空穴對，并在外.電場和內電場的共同作用下，漂移過PN結，產生光電流。此時，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導通狀態。
具體方法是在光源側使用發光二極管，在受光側使用光敏二極管，并將信號處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復雜程度大幅度減少，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傳感器的結構設計
如果將被測旋轉圓盤置于光電斷續器的發光與受光側之間，圓盤上有許多狹縫，圓盤旋轉，光源發出的光間隔地被狹縫遮擋，受光側得到斷續的強光和弱光信號。如圖（一）所示，若旋轉圓盤沒有旋轉，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，雙輸出型的輸出電壓波形如圖（二）所示，（僅畫出Q1的時序圖，Q2的時序圖道理一樣）圓盤轉動方向若向左，Q2輸出電壓相位落后被屏蔽；反之，圓盤向右旋轉，Q1輸出電壓相位超落后被屏蔽。因此，兩個輸出電壓的相位關系反映圓盤的旋轉方向，圓盤的位移可以通過Q1，Q2輸出脈沖個數的代數和得到。
圖（一）
圖（二）
2.2 傳感器的電路設計
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。當圓盤作正向轉動時， X信號超前Y信號。因為電路比較復雜，采用美國Lattice半導體公司推出的ispEXPXRT軟件對CPLD器件進行硬件編程，如圖（三）所示電路圖是基于CPLD設計的。或門C1產生的信號作為D鎖存器Q1的置位端只許X產生的正脈沖通過，而D鎖存器Q2因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在加減計數器中作加法運算。當圓盤作反方向轉動時，則Y產生的負值信號超前X產生的信號，或門C1產生的信號作為D鎖存器Q2的置位端只讓Y產生的負脈沖通過，而D鎖存器Q1因為C1作用時X信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q1輸出低電平，門電路在可逆計數器中作減法運算。這樣就完成了辨向過程。OUT0是輸出，OUT1是進位，Z是控制端輸入。工作原理圖如圖（四）所示。
圖（三）
圖（四）
3． 光電式坐標傳感器的結構設計及坐標算法
3．1 結構設計
在實際的設計過程中，首先根據需要設計傳感器的測量精度及范圍。精度可以通過計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，整個傳感器系統結構框圖如圖（五）所示。
圖（五）
測量結構如圖（六）所示，由四個光敏二極管(元件1、2、4、6)、兩個光源（發光二極管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 ，組成一個二維傳感器。
圖（六）
3.2 坐標算法
當被測物坐標發生時，圓盤7轉動，光敏二極管4和光敏二極管6通道的信號發生變化，通過接口電路自動傳輸到計算機里，計算機自動對輸入通道的信號進行數據采集。如果前進或者后退的角度發生變化，位移圓盤9角度也隨著發生變化，通過傳動軸轉動帶動方向圓盤產生轉動，使得圓盤9上的狹縫通斷光敏二極管上的光照，發出與前進或后退相應的電脈沖信號，通過接口電路自動傳輸到計算機里，對輸入通道的信號進行數據采集。并將采集的數據進行儲存，形成數據庫，以備計算機通過數據計算確定自身的坐標位置，并通過相應接口進行數據輸出。相對坐標XN 、YN 計算公式如下：
XN=Z*cos YN =Z*sin
為了確保測量精度，計算機的采樣時間不能太大，應該接近光電傳感器的反映時間，最好同步，或者成倍數關系。
3.3坐標與電壓的轉換
根據光――電轉換原理，輸出的電壓變化規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，狹縫之間的距離可以根據需要加工，但受到工藝和技術水平的限制，也可以通過計算機特性補償得到。
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系，稱為線性關系。然而理想的線性關系的傳感器極少。為了實現其線性化可采用電子電路，也可以使用計算機的修正功能。
4 測試結果
將自行設計的傳感器，應用于足球機器人場地與球門的坐標位置測試，在 1.000 m×1.000 m的平面場地上進行測試，測量數據與實際數據比較如下：
|
測試序號 |
XN測量數據（m） |
XN實際數據(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測量數據（m） |
YN實際數據(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域內，采用低成本的組合傳感器完成坐標的自動檢測，并且輸出比較穩定，抗干擾能力強，達到預期設計要求。
5 結論
通過本文給出的設計方法，設計出光電式坐標傳感器，它具有集成化特點，靈敏度高，抗干擾性強、體積小等特點，可廣泛地應用于靜態測量、動態測量及自動化控制等領域。因此，光電式坐標傳感器具有廣泛的實用性。缺點：測量中注意傳感器測量地連續性，不可中途中斷使用，需要專業安裝技能，光源應與使用場合匹配。需要今后在此方面不斷的努力，改進和完善坐標傳感器的功能。
參考文獻
郝蕓，傳感器原理與應用 電子工業出版社 2002.5
何希才，傳感器及其應用 國防工業出版社 2001.5
梁森，自動檢測技術 機械工業出版社 2004.6
劉篤仁，傳感器原理及應用技術 西安電子科技大學出版社 2003.8
作者簡介：楊志成（1969―）男， 大本，儀表實驗教師，儀表技師，長期從事智能儀表、數字電路等教學科研工作。
張利霞，女，在職研究生，主要從事計算機網絡技術及應用的教學科研工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號