姜林言， 朱　革， 吳武峰， 高　宇， 許現(xiàn)波

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

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基于交變光強(qiáng)的新型時柵傳感器行波信號設(shè)計*

姜林言， 朱革， 吳武峰， 高宇， 許現(xiàn)波

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

摘要:基于三相異步電機(jī)繞組方式的磁場式時柵位移傳感器，通過旋轉(zhuǎn)磁場得到行波信號強(qiáng)度較弱，并容易受到周圍磁場的干擾。為了進(jìn)一步提高時柵位移傳感器行波信號的強(qiáng)度，提出一種基于交變光強(qiáng)的時柵位移傳感器行波形成方法，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)表明:該設(shè)計方案產(chǎn)生出正確的行波信號，并且所得到的行波信號強(qiáng)度優(yōu)于磁場式時柵位移傳感器產(chǎn)生的行波信號強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：光強(qiáng)； 交變； 行波； 時柵位移傳感器

0引言

時柵位移傳感器與傳統(tǒng)的柵式位移傳感器不同，采用“時空轉(zhuǎn)換思想”[1,2]，即用時間量測量空間位移，改變了傳統(tǒng)的精密測量方法和思路，回避了精密機(jī)械刻線的技術(shù)瓶頸，測量精度高、穩(wěn)定性高、成本低，具有廣泛市場應(yīng)用前景[3]。磁場式時柵位移傳感器采用三相異步電機(jī)繞組的方式[4,5]，在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生行波，這種行波產(chǎn)生方式的信號耦合形式是電磁耦合，信號強(qiáng)度難以進(jìn)一步提高,信號容易受到周圍磁場干擾，所獲得的信號不純。

針對磁場式時柵行波信號出現(xiàn)的問題，本文提出了一種行波產(chǎn)生新方法，采用交變光強(qiáng)方法產(chǎn)生行波的方案，利用時間上正弦或余弦變化的光強(qiáng)，配合定尺、動尺的空間上的相對移動，最后通過光電耦合獲取行波信號。該方法提高了行波信號的強(qiáng)度，并避免了周圍磁場的干擾。

1行波信號設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

行波信號的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由COB面光源、動尺、定尺、光敏電池組成。通過激勵信號控制發(fā)光強(qiáng)弱的變化為正弦或余弦,再透過到動尺和定尺照射到光敏電池上，動尺和定尺的形狀分別為正弦形和矩形，當(dāng)發(fā)生相對位移時則光照面積發(fā)生正弦周期性變化；最后由光敏電池接收信號并合成行波信號。

所選用的COB面光源是一種LED集成光源，其發(fā)光強(qiáng)度與電流強(qiáng)度呈正比，且發(fā)光角度大于120°，發(fā)光均勻，無眩光，無光斑，亮度高[6]，通過控制電流強(qiáng)度發(fā)出正弦或余弦變化的光強(qiáng)，則光敏電池接收到的信號為

(1)

圖1　行波信號結(jié)構(gòu)原理Fig 1　Structure principle of traveling wave signal

式中Imsinωt,Imcosωt為激勵信號，Im為幅值大小，ω為激勵信號頻率，t為時間，SA,SB為光照面積。

動尺和定尺發(fā)生相對位移時，透過的光照面發(fā)生周期性變化，如圖2所示。動尺為正弦形，分上下A，B兩組；定尺的矩形寬度和間距均為w，分為上下A,B兩組，其中,B組滯后w/2的距離,則其透過光照面積為

圖2　動尺與定尺相對位移Fig 2　Relative displacement of moving ruler and fixed ruler

(2)

(3)

那么,根據(jù)式(1)～式(3)，并由三角函數(shù)的和差化積公式，便可得到行波信號U

(4)

這種行波信號產(chǎn)生方法擺脫了目前磁場式時柵通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得行波的方式，通過光電耦合獲取信號，從原理上提高了信號的強(qiáng)度，而且,一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以,光信號不受電磁干擾的影響。

2實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。根據(jù)設(shè)計原理制作了動尺、定尺，采用玻璃材料，使用光刻、鍍膜工藝刻畫柵面，這種加工工藝精度可以達(dá)到nm等級[7]。動尺部分搭載在高精度的直線電機(jī)導(dǎo)軌上，通過導(dǎo)軌帶動動尺移動。定尺、光源搭載在實(shí)驗(yàn)臺基座上，實(shí)驗(yàn)臺基座使用了三自由度微調(diào)機(jī)構(gòu)基座，能夠前后平移(X向)，左右平移(Y向)，上下平移(Z向)。

圖3　實(shí)驗(yàn)平臺Fig 3　Experimental platform

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先對實(shí)驗(yàn)平臺的行波信號進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)使用FPGA產(chǎn)生正弦激勵信號點(diǎn)亮COB集成光源，利用高精度的直線電機(jī)導(dǎo)軌帶動動尺移動，進(jìn)而得到行波信號，如圖4所示，其幅值為300 mV，周期為 99.50 μs。

圖4　行波信號Fig 4　Traveling wave signal

其次在磁場式時柵綜合實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了檢測，檢測到的行波信號如圖5所示，其幅值為240 mV，周期為2.478 ms。

圖5　磁場式時柵行波信號Fig 5　Magnetic field type time grating traveling wave signal

對比檢測到的行波信號，實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)平臺得到的行波信號強(qiáng)度優(yōu)于磁場式時柵的行波信號強(qiáng)度，并且所含噪聲很小，信號較純。

4結(jié)束語

本文采用交變光強(qiáng)與光電耦合相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種全新的時柵位移傳感器行波信號產(chǎn)生方法，進(jìn)一步提高了時柵位移傳感器行波信號的強(qiáng)度，并且避免了周圍磁場的干擾,為時柵位移傳感器的研究與改進(jìn)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]楊繼森,許強(qiáng),馮濟(jì)琴.基于STM32F4的時柵位移傳感器信號處理系統(tǒng)集成化設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(12):113-116.

[2]彭東林,張興紅,劉小康,等.基于時空轉(zhuǎn)換的精密位移測量新方法與傳統(tǒng)方法的比較[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27( 4)：423-426.

[3]楊繼森,何建,彭東林,等.基于STM32的時柵轉(zhuǎn)臺高精度自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):107-109.

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[5]武亮，彭東林，陳錫侯，等.基于駐波調(diào)制方法的新型時柵位移傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(4)：4-5，27.

[6]祁姝琪，丁申冬，鄭鵬，等.COB封裝對LED光學(xué)性能影響的研究[J]．電子與封裝，2012(3)：6-9，18.

[7]周輝，楊海峰.光刻與微納制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]．加工、測量與設(shè)備，2012(9)：613-618，636.

Traveling wave signal design of new type time grating sensor based on alternating light intensity*

JIANG Lin-yan, ZHU Ge, WU Wu-feng, GAO Yu, XU Xian-bo

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment，Ministry of Education,Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Abstract:Magnetic field type time grating displacement sensor based on three-phase asynchronous motor winding,traveling wave is obtained by rotating magnetic field,the obtained traveling wave signal strength is weak, and vulnerable to be interfered by magnetic field around.In order to further improve traveling wave signal strength of time grating displacement sensor,put forward a kind of traveling wave forming method of time grating displacement sensor based on alternating light intensity,and set up experimental platform.Experiments show that the designed scheme generates correct traveling wave signal,and the obtained traveling wave signal intensity is prior to that of magnetic field type time grating displacement sensor.

Key words:light intensity; alternating; traveling wave; time grating displacement sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0083—02

收稿日期：2015—05—08

*基金項(xiàng)目：重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目 (CYS14189)；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2014103)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ220893)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51127001，51305478)

中圖分類號：TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0083—02

作者簡介:

姜林言(1991-)，女，重慶人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫軆x器與機(jī)械、測試計量儀器。