毕业设计(论文)开题报告题目名称：光栅位移测量仪设计院系名称：班级：学号：学生姓名：指导教师：2011年2月目录一、课题设计计的任务和研究目的及意义二、国内外该方向研究现状及分析三、系统方案论证四、系统电路设计思路五、软件设计思路六、计划进度安排七、研究过程中可能遇到的问题和困难及解决措施八、参考文献一、课题设计的任务和研究目的及意义A、课题设计任务1、完成传感器的设计。
2、完成调理电路的设计。
3、完成单片机及外围电路设计4、完成细分、辨向、计数等程序设计5、完成数据采集、处理显示等程序设计6、完成数据的结果的分析。
7、系统调试，获得实验数据，从实验数据来分析系统的性能指标，总结调试经验。
B、课题设计的目的及意义当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过程中是不可或缺的关键环节，它与生产加工和制品运送同等重要。
当今世界，提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。
在这种注重经营和技术创新的前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与IT 产业的发展相对应，同时应进一步加强质量管理测量技术是现代工业中的一个重要组成部分，它是进行生产活动的依据，它支撑着社会的技术进步，为众多领域的科学探索活动提供试验和观测手段，为人类有序的生产活动提供必需的技术保障。
测量技术已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心技术。
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一的微位移技术，近年来随着微电子术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。
而定位与测量技术的水平几乎左右着位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展。
本次毕业设计提出以光栅莫尔条纹为基础，设计光栅位移测量仪。
通过对莫尔条纹的工作原理、光电转换技术和细分技术进行了分析。
对莫尔条纹进行细分，拟采用EMP7128光栅位移传感器，设计此种测量仪。
目前，光栅位移测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对光栅位移测量的要求也会随之提高。
为了满足更高的要求，光栅位移测量技术不但要达到更高的分辨率，还要适应更复杂的工作环境。
在长度量检测系统中，光栅测量系统占有明显优势，有着广泛的市场前景。
栅式测量系统是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。
光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从60m／min 至480m／min。
测量长度从1m、3m至30m和100m。
1999年10月在中国召开的“面向21世纪计量测试理论与仪器”研讨会认为:纳米级测量已经成为当今测量领域的热点，在新的世纪要继续解决好纳米尺度的产生、标定及传递的理论和技术，制造出更新型的纳米精度的计量测试仪器在如此背景下，精密工作台光栅定位测量与控制系统设计也就这样应运而生，该研究能很好的满足超精密加工和超精密检测的要求，对现代工业技术的发展具有重要意义。
二、国内外该方向研究现状及分析我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。
但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距，主要表现在：制造精度比较低、批量程度差、品种比较单一。
此外,目前发达国家在光栅技术方面均投人大量的人力物力,通过研究光栅，开发了一系列新一代的对光栅测量要求很高的设备，例如数控设备等。
例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。
虽然我国数年来也不断对光栅测量方面的技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国光栅测量领域依然处于比较落后的局面，我们必须对光栅技术不断加以研究和探索，从而带动整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，使得工业经济得到发展。
三、系统方案论证位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。
测量方向与位移方向重合才能真实地测量出位移量的大小。
若测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量和角位移测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。
许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。
对位移的测量，现在有很多方法，对于精密仪器和测量计量中，采用光栅位移传感器进行位移的测量。
机械工程中经常要求测量位移。
测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测量系统，其中传感器对测量精度影响很大，必须特别重视。
根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类型有：电阻式、电阻应变片式、电容式、电感式、霍尔元件、光栅、磁量、角度编码器等位移计以及电动千分表等。
光栅有两种：透射光栅和反射光栅。
透射光栅的材料为玻璃，易碎，不方便在复杂环境中的使用。
反射光栅的材料为不锈钢片，并在不锈钢片表面均匀地刻上100对／m m透光镂空和不透光条纹，其线膨胀系数和机床等工业材料基本一致，故选用反射光栅。
本光栅测量系统的结构是：光栅传感器为两个光敏三极管，其输出是与光栅莫尔条纹对应的、相位不同的近正弦波状的电信号，再经差动放大、整型、细分、方向辩别等电路，最终送到可逆计数器进行计数。
该系统对工作平台位移的检测是通过光栅移动产生的莫尔条纹与光电检测电路配合完成的，并以单片机为核心构成信号处理与闭环控制。
光栅测量原理(如图2所示)：将指示光栅安装于机床导轨机构，标尺光栅固定于机架，二者之间保持0.03-0.06mm的间隙以避免摩擦;同时二者的光栅纹线之间有一个小夹角，当光线透过光栅时，指示光栅上就会产生莫尔条纹。
当指示光栅相对于标尺光栅作水平移动时，莫尔条纹作垂直移动。
莫尔条纹具有平均误差和放大使用，而且光栅栅线和莫尔条纹之间具有数量和方向上的对应关系。
利用光电传感器得到与明暗条纹相对应的周期性电压信号，再经放大、变换整形即可得到计数脉冲。
由于脉冲数是表示指示光栅所移动的条纹数，故只要知道光栅栅距即可得出光栅所多动的实际距离。
即：W=w/(2*sin（a）/2)=w/a=kw。
(其中w为栅距即每毫米内光栅的条纹数，W为莫尔条纹宽度k为光栅放大倍数)从上式可得，光栅移动了x条刻线，则莫尔条纹也移动了x条条纹，将莫尔条纹产生的电脉冲信号计数,即可知道光栅移动的实际距离。
四、系统电路设计思路在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着感受和传输信号的重要任务。
传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重收元件后变为。
这里采用较高的系统定位精度(0.1um)、故选择光栅位移检测系统。
光栅经接周期性变化的电信号，采用逻辑辨向电路区别位移的正反向。
本测量设计利用单片进行数据处理并显示结果，软件采用汇编语言实现。
硬件电路主要由光栅位移传感器。
差分放大电路。
细分与辨向电路、单片机8051、A/D 转换和LED显示组成。
本系统中使用的光栅传感器输出的是4路相位差为90°的正弦信号，因此需要对传感器的输出信号进行整形处理。
本设计中采用了由运放LM393构成的差分放大器，将光栅传感器输出的4路信号分别送入2个差分放大器的输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为90°，整个系统框图如图2所示。
将差分后的信号进行整形得到2路方波信号，得到的方波信号不能直接送入计数器中，在本设计中由EPM7128SIC84-15完成4细分、辨向、计数的功能，采用原理图的输入方式将上述模块组合成一个软件系统光电检测器将接收到的光信号转换为电流信号，由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大与整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。
当两条光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。
由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号，由四个光电器件获得四路光电信号分别送到两只差分放大器传入端，从差分放大器传输的２路信号其相位差为ｐｉ／２，经过整形器后整形为占空比为１比１的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号相位差都是ｐｉ／２，将两个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。
在对信号进行辨向后，变形后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，实现位移的测量。
整体框图设计思路如下五、软件设计思路系统软件设计主要包括主程序、中断服务子程序等。
六、计划进度安排第一学期8、9周查资料10、11周方案论证12、13周外文翻译14、15周总体方案设计第二学期1、3周完成电源变换主回路的设计。
4、5周完成核心控制电路的设计。
6、7周完成控制电路程序的设计。
8、10周完成启动电路设计。
11~13周系统调试，获得实验数据，从实验数据来分析系统的性能指标，总结调试经验。
14~15周撰写毕业论文、答辩。
七、研究过程中可能遇到的问题和困难及解决措施在这次毕业设计中，由于在细分辨向等电路方面的知识贫乏，对于细分辩向电路的选择和设计会遇到很多问题，对于那些可以实现高精度的细分电路，对于我是比较难理解的，因此在细分电路的选择，会比较麻烦。
两另外由于光栅传感器输出的信号就算经过了前级电路的预处理，但光栅发生抖动或测头被冲击时，仍然会产生噪声信号，从而影响计数的准确性，降低整个测试系统的精度。
消除噪声信号的电路设计也不是很容易完成的。
遇到问题，我会多查资料，多向老师学请教，解决遇到的问题八、参考文献[1]艾言.精密测量技术在机床行业中的应用[J].机电信息，2003[2]古天祥.王厚军.习友宝等.电子测量原理[M].北京：机械工业出版社，2006，[3]杨国光.近代光学测试技术[M].杭州：浙江大学出版社，1996[4]唯一.现代光栅测量技术[J].工具展望，2004[5]李岩.精密光栅纳米级承载工作台的设计与研究[D].长春：长春理工大学机械电子工程系，2009[6]冯博琴，吴宁.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社，2007[7]康光华等.数字电子技术基础[M]华中科技出版社2002[8]张国雄.测控电路[M].机械工业出版社，2002[9]朱定华.戴汝平.单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社&北方交通大学出版社，2003[10]于海生.丁军航.潘松峰等.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，2009[11]康光华.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006[12]殷纯永.光电精密仪器设计[M].北京:机械工业出版社，1996[13]曾光宇.张志伟.张存林.光电检测技术[M].北京：清华大学出版社&北方交通大学出版社，2005[14]卢国纲位移测量技术及其传感器的最新发展[J].中国科学院自动化研究所WMEM4期2005年8月[15]李庆祥，徐端颐实用光电技术[M]．第一版．北京：中国计量出版社，1996[16]赵建玉,梁立新,黄明键用光电编码器测量直线位移[J].山东建材工业学院学报第14卷第2期2000年6月[17]赵负图国内外最新常用传感器和敏感元器件性能数据手册[M].辽宁科学技术出版社1994[18]常健生检测与转换技术【M]北京机械工业出版社，1997[19]薛实福，李庆祥，精密仪器设计，北京：清华大学出版社，1991[20]杨康.精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计[D].杭州：浙江理工大学，2006。