基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计*

姜林言， 朱　革， 吴武峰， 高　宇， 许现波

(重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054)



基于交变光强的新型时栅传感器行波信号设计*

姜林言， 朱革， 吴武峰， 高宇， 许现波

(重庆理工大学 机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆 400054)

摘要:基于三相异步电机绕组方式的磁场式时栅位移传感器，通过旋转磁场得到行波信号强度较弱，并容易受到周围磁场的干扰。为了进一步提高时栅位移传感器行波信号的强度，提出一种基于交变光强的时栅位移传感器行波形成方法，并搭建了实验平台。实验表明:该设计方案产生出正确的行波信号，并且所得到的行波信号强度优于磁场式时栅位移传感器产生的行波信号强度。

关键词：光强； 交变； 行波； 时栅位移传感器

0引言

时栅位移传感器与传统的栅式位移传感器不同，采用“时空转换思想”[1,2]，即用时间量测量空间位移，改变了传统的精密测量方法和思路，回避了精密机械刻线的技术瓶颈，测量精度高、稳定性高、成本低，具有广泛市场应用前景[3]。磁场式时栅位移传感器采用三相异步电机绕组的方式[4,5]，在定子和转子之间的气隙中形成旋转磁场产生行波，这种行波产生方式的信号耦合形式是电磁耦合，信号强度难以进一步提高,信号容易受到周围磁场干扰，所获得的信号不纯。

针对磁场式时栅行波信号出现的问题，本文提出了一种行波产生新方法，采用交变光强方法产生行波的方案，利用时间上正弦或余弦变化的光强，配合定尺、动尺的空间上的相对移动，最后通过光电耦合获取行波信号。该方法提高了行波信号的强度，并避免了周围磁场的干扰。

1行波信号设计原理与结构

行波信号的原理结构如图1所示，由COB面光源、动尺、定尺、光敏电池组成。通过激励信号控制发光强弱的变化为正弦或余弦,再透过到动尺和定尺照射到光敏电池上，动尺和定尺的形状分别为正弦形和矩形，当发生相对位移时则光照面积发生正弦周期性变化；最后由光敏电池接收信号并合成行波信号。

所选用的COB面光源是一种LED集成光源，其发光强度与电流强度呈正比，且发光角度大于120°，发光均匀，无眩光，无光斑，亮度高[6]，通过控制电流强度发出正弦或余弦变化的光强，则光敏电池接收到的信号为

(1)

图1　行波信号结构原理Fig 1　Structure principle of traveling wave signal

式中Imsinωt,Imcosωt为激励信号，Im为幅值大小，ω为激励信号频率，t为时间，SA,SB为光照面积。

动尺和定尺发生相对位移时，透过的光照面发生周期性变化，如图2所示。动尺为正弦形，分上下A，B两组；定尺的矩形宽度和间距均为w，分为上下A,B两组，其中,B组滞后w/2的距离,则其透过光照面积为

图2　动尺与定尺相对位移Fig 2　Relative displacement of moving ruler and fixed ruler

(2)

(3)

那么,根据式(1)～式(3)，并由三角函数的和差化积公式，便可得到行波信号U

(4)

这种行波信号产生方法摆脱了目前磁场式时栅通过旋转磁场获得行波的方式，通过光电耦合获取信号，从原理上提高了信号的强度，而且,一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以,光信号不受电磁干扰的影响。

2实验平台设计

搭建的实验平台如图3所示。根据设计原理制作了动尺、定尺，采用玻璃材料，使用光刻、镀膜工艺刻画栅面，这种加工工艺精度可以达到nm等级[7]。动尺部分搭载在高精度的直线电机导轨上，通过导轨带动动尺移动。定尺、光源搭载在实验台基座上，实验台基座使用了三自由度微调机构基座，能够前后平移(X向)，左右平移(Y向)，上下平移(Z向)。

图3　实验平台Fig 3　Experimental platform

3实验结果与分析

首先对实验平台的行波信号进行了检测，实验使用FPGA产生正弦激励信号点亮COB集成光源，利用高精度的直线电机导轨带动动尺移动，进而得到行波信号，如图4所示，其幅值为300 mV，周期为 99.50 μs。

图4　行波信号Fig 4　Traveling wave signal

其次在磁场式时栅综合实验台进行了检测，检测到的行波信号如图5所示，其幅值为240 mV，周期为2.478 ms。

图5　磁场式时栅行波信号Fig 5　Magnetic field type time grating traveling wave signal

对比检测到的行波信号，实验表明：实验平台得到的行波信号强度优于磁场式时栅的行波信号强度，并且所含噪声很小，信号较纯。

4结束语

本文采用交变光强与光电耦合相结合的方法，设计了一种全新的时栅位移传感器行波信号产生方法，进一步提高了时栅位移传感器行波信号的强度，并且避免了周围磁场的干扰,为时栅位移传感器的研究与改进提供了依据。

参考文献:

[1]杨继森,许强,冯济琴.基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统集成化设计[J].传感器与微系统,2013,32(12):113-116.

[2]彭东林,张兴红,刘小康,等.基于时空转换的精密位移测量新方法与传统方法的比较[J].仪器仪表学报，2006，27( 4)：423-426.

[3]杨继森,何建,彭东林,等.基于STM32的时栅转台高精度自动标定系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(3):107-109.

[4]彭东林，张兴红，刘小康，等.场式时栅位移传感器研究[J]．仪器仪表学报，2003，24(3)：321-323.

[5]武亮，彭东林，陈锡侯，等.基于驻波调制方法的新型时栅位移传感器[J].仪表技术与传感器，2011(4)：4-5，27.

[6]祁姝琪，丁申冬，郑鹏，等.COB封装对LED光学性能影响的研究[J]．电子与封装，2012(3)：6-9，18.

[7]周辉，杨海峰.光刻与微纳制造技术的研究现状及展望[J]．加工、测量与设备，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

*基金项目：重庆市研究生科研创新项目 (CYS14189)；重庆理工大学研究生创新基金资助项目(YCX2014103)；国家重大科学仪器设备开发专项项目(2013YQ220893)；国家自然科学基金资助项目(51127001，51305478)

中图分类号：TP 212

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0083—02

作者简介:

姜林言(1991-)，女，重庆人，硕士研究生，主要研究领域为精密仪器与机械、测试计量仪器。