基于增量式光电编码器位移传感器研究

摘要：为了实现对位移测量的需求，提出了一种基于增量式光电编码器的位移传感器的设计方案，并完成系统的软硬件设计。传感器硬件部分主要包括增量式光电编码器、信号的传输处理和测量结果的显示。软件部分采用汇编语言设计，实时解算测量结果并驱动显示屏显示。实际应用表明，该系统具有操作简便、测试准确的特点，达到了设计要求。
关键词：增量式光电编码器；测量；信息处理；位移传感器

传统的拉线式位移传感器大多采用电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连，物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加与减小则表明了位移的方向。通常在电位器上给定电源电压，把电阻变化转换为电压输出。由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件的时，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。同时，电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差，从而导致测量精度下降。
本项目基于增量式光电编码器原理研制的数字显示式拉线式位移传感器，一方面对目前拉线式位移传感的改进和完善，其动态范围大，具有温度修正功能，最大量程大，测量精度高。仪器成本低廉，安装、调试与定标方便，系统运行功耗低，抗干扰能力强，适用于野外长时间自动监测。一方面与传统拉线式位移传感器相比，不仅具有数字显示功能，良好的人机交互界面，而且可以与计算机实现交互，具有远程控制的优点。

1 增量式光电编码器简介
编码器广泛用于位置和角度的测量，可分为绝对式编码器与增量式编码器。绝对式编码器其特点是输出信号与旋转位置一一对应，但其精度不高，而且成本较高。而增量式编码器其输出信号为脉冲信号，其脉冲个数与相对旋转位移有关，而与旋转的绝对位置无关，其精度较高，而且其成本相对较低。如果预先设定一个基准位置，则可以利用增量式编码器实现绝对式编码器的功能，也即可以测出旋转的绝对位置。
增量式编码起按其输出可分为差分式和非差分式，他们的输出信号均为脉冲信号，非差分信号输出一般有AB两相脉冲信号，其高电平接近编码起的工作电压。而差分式信号输出A相、A非相、B相、B非相，其高电平只有编码起工作电压的一半，不管差分还是非差分的编码器，A相和B相信号波形完全相同，仅存在90度的相差。

2 位移传感器结构
位移传感器采用铝合金结构设计，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、测量范围修改灵活、仪器成本低廉、安装、调试与定标方便等特点。同时具有良好的人机交互界面，使用直观方便。外观结构图见图1。

3 位移传感器设计
感器硬件主要由光栅编码电路、信号处理电路、单片机和显示屏等组成，系统硬件原理框图结构图如图2所示。光栅编码电路主要将外部的位移转化为数字脉冲信号；功放电路信号处理电路主要将脉冲信号进行滤波整形放大；单片机组要完成信号的采集，同时将计算数字脉冲对应的实际位移；显示屏组要完成测试数据的实时显示。