六、实验的原理及预期结果（一）实验原理6.1.1 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。

小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。

其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

6.1.2 原理[8]计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。

“莫尔”源出于法文Moire，意思是水波纹。

几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。

一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。

计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。

下面以透射光栅为例加以讨论。

透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，b=称为光栅aW+栅距。

如图6.1所示图6.1 光栅栅距目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。

光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。

一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。

为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。

当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。

由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。

如图1.2，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移X 的函数。

每当X 变化一个光栅栅距W ，信号就变化一个周期，信号由b 点变化到b '点。

由于W bb '=，故b '点的状态与b 点状态完全一样，只是在相位上增加了π2。

由图6.2可得光电信号为：()022u U X W ππ=+m 平均+U sin式中u—光电元件输出的电压信号；U平均—输出信号的直流分0量；U—输出信号中正弦交流分量的幅值。

从公式中可见，m当光栅位移一个节距W，波形变化一周。

这时相应条纹移动一个条纹宽度B。

因此，只要记录波形变化周期数即条纹移动数N，就可知道光栅的位移X即X N W=图6.2 光栅输出信号波形图6.1.3 信号处理[8]辨向原理在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。

为了辨向，需要有2π相位差的两个莫尔条纹信号。

如图6.3，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差2π的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01’和u02’。

光栅正向移动时u01超前u02 ︒90，反向移动时u02超前u01︒90，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。

图6.3 相位差2π输出信号波形图细分技术随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。

所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。

如一个周期内发出n个脉冲，则可使测量精度提高n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。

由于细分后计数脉冲频率提高了n倍，因此也称n倍频。

通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。

在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差︒90的电信号，用反相器反相后就得到四个依次相差︒90的交流信号。

同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差︒90的交流信号，实现四倍频细分。

其二、电路细分。

电路细分有很多种方法，图6.4是最基本的一种二倍频细分电路。

图6.4 脉冲边沿检测器组成的二倍频电路6.1.4 SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器主要参数[6]长春光机数显技术有限责任公司生产的光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。

产品已形成系列，供不同规格的各类机床选用，有效量程从50mm —30m，覆盖几乎全部金属切削机床的行程。

SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器主要参数：表6.1 传感器主要参数输出信号接线表表6.2 YC-18-7七芯表6.3 9PD九芯图6.5 SGC－4.2 外型尺寸七、实验的器材、物品（一）SGC－4.2型封闭式光栅线位移传感器长春光机数显技术有限责任公司生产的光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。

其结构参数及外形图如图7.1、7.2所示。

图7.1 SGC－4.2 外型尺寸图7.2 SGC－4.2 实物外形及接口连线图（二）光栅尺接口及连线光栅尺与DRVI平台接口采用Depushi提供的生产五芯电缆式插头，如图7.3（1）所示，其信号接口图如图7.3（2）所示。

（1）五芯电缆式插头（2）信号接口图图7.5 DRLAB快速可重组综合实验平台八、实验的过程（一）虚拟仪器面板的搭建DRVI虚拟仪器系统的运行必须与DRLAB实验系统平台相连接才能运用系统的全部功能。

DRVI是一个采用COM组件容器程序设计的软件总线结构的可重构虚拟仪器可视化开发／运行一体化平台。

该操作平台提供了虚拟仪器软件总线面包板、软件芯片插件组、嵌入式Web服务器、VBScript脚本语言等功能支持。

本课题设计信号总体流程图，如图8.1所示。

图8.1 整个课题设计的总体思路过程图制作界面的具体步骤如下：1．打开实验室的电源开关。

2．打开实验平台的总开关，开启实验平台上的电脑，同时打开实验平台上的采集仪开关。

3．电脑打开以后，双击电脑桌面上的图标，打开DRVI虚拟仪器系统。

4．DRVI启动后点击红色箭头所示“联机注册”按钮进行注册，选择“DRVI采集仪主卡检测（USB）”进行服务器和数据采集仪之间的注册。

5．在面板搭建中需要一个采集仪数据采集芯片，用于采集采集仪上的数据进行比较。

同时需要两个波形显示器芯片来显示控制传感器的两路信号的波形，比较直接的反映光栅位移传感器的辨向原理。

需要LED数据显示芯片来显示传感器的位移数值。

两片启/停芯片，一片用于启动整个虚拟仪器界面，一片用于LED数据显示芯片的清零控制。

两片“VB Script脚本”芯片，一片通过编写脚本程序来获得传感器的两路信号，通过比较来辨别传感器的位移方向，同时通过对一路信号的记数来计算传感器的位移并且将数据传到LED数据显示芯片；另一片通过编程来实现对LED数据显示芯片的清零功能。

插入两片“内存条”芯片来扩展两条数组型数据线再加一些文字显示芯片和一些装饰芯片以及一些几何图形芯片，就可以搭建本课题的虚拟仪器的面板。

所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图所示。

根据实验原理设计图在DRVI 软面包板上插入上述软件芯片，然后在“VB Script脚本”芯片中添加VB Script小程序，并修改各芯片特性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。

6．有了以上步骤，制作界面还要有流程图来明确界面的制作，流程图是设计界面和编写程序的基本参考，流程图绘制的是否符合课题的要求关系到以后的编程和课题实验的进行。

其流程图如附录一所示。

7. 更改各个芯片的设置。

图8.2 芯片6001属性设置示意图右键点击芯片号为6001的“开/关按钮”图标，如图8.2所示，将匡中的标题一栏中的“on/off”改为“开始”并将开关线号一栏中的“-1”改为“1”。

然后点击“设定”“关闭”，设置完毕。

图8.3 芯片6029属性设置示意图右键单击芯片号为6029的“按钮芯片”，出现如图8.3所示对话框。

将对话框中的标题一栏改为“位置参考点”。

将驱动芯片号改为6028，点击“设定”。

图8.4 芯片6005属性设置示意图更改芯片号为6005的“LED数据显示”芯片的设置，如图8.4所示将“显示值线号”改为“3”，点击“设定”。

图8.5 芯片6008属性设置示意图更改“波形/谱图IC”芯片的设置，如图8.5所示，将芯片号为6008的数据存储芯片号改为“6000”，更改另一个“波形/谱图IC”的设置，将芯片号为6033的数据存储芯片号改为“6031”。

图8.6 芯片6010属性设置示意图图8.7芯片6002属性设置示意图更改VB Script脚本编辑芯片的设置，如图8.6所示，将芯片号为6010的主程序脚本对话框的数据驱动线号改为“6031”，点击设定。

设置位置参考点程序脚本6028的数据驱动线号不变。

更改芯片号为6002的“蓝津信息数据采集仪”芯片的设置，如图8.7所示将开关线号改为“1”，将采样通道定义中的2和5通道改为“1”，将波形存储芯片定义中的第二和第五个分别改为“6031”和“6000”，将采样通道数改为“2”。

用对三维矩形进行分区使其更加美观和功能分区更加明确，同时对不同的分区用芯片标明各个分区的功能。

点击芯片6008出现如图8.8的对话框。

图8.8 芯片6008属性设置示意图将对话框中的标题改为不同分区的功能名称，将前景色和后景色改为不同的数值使界面更加漂亮。

面板搭建的效果图如图8.9所示。

板效果图虚拟面板搭建好以后可以生成界面的网络布线图，点击DRVI虚拟界面上的“编辑”然后点击软件芯片布线图，就出现如图8.10所示。

图8.10 网络布线图根据光栅位移传感器的原理我们可以得到传感器的两路信号在传感器向左和向右移动时的信号关系，如图8.11和图8.12所示。

图8.11传感器向左移动时A路和B路信号如图8.11所示，当A路信号为下降沿时，B路信号为低电平。

图8.12 传感器向右移动时A路与B路信号如图8.12示，当A路信号为下降沿时，B路信号为高电平。

利用传感器在左移和右移时两路信号关系的不同，可以在编程中解决传感器的辨向问题。

在传感器的移动过程中，DRLAB平台的数据采集卡不断对传感器产生的两路信号进行采样，我们假设对A路信号采样所得的数据为behindsmall，在behindsmall之前采样所得的数据为presmall，当presmall<behindsmall时，A路信号为下降沿，每到一个下降沿，A路信号就通过了一个脉冲，对脉冲进行计数。

每个脉冲代表传感器移动了一个栅距，即0.02mm。

计数所得值乘以0.02就是传感器移动的距离。

同时，在判断A路信号为下降沿的同时，当B路信号为低电平时，说明传感器向左移动，当B路信号为为高电平时，说明传感器向右移动。