采集卡采集编码器(光栅尺)数据
一、光栅尺的结构
编码器是一种可以将角位移或直线位移转换成电信号的设备。
图 1 编码器
而光栅尺则是编码器的一种,多用来测量直线位移。
图 2 光栅尺
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。一般将标尺光栅固定,以光栅读数头的移动来检测位移。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件等组成。如图下图所示:
图 3 光栅读数头
其中指示光栅又是光栅读数头的重要部分,它直接决定了光栅尺的测量精度。
二、什么是光栅?
那么光栅是什么呢?光栅是在玻璃上刻出大量平行等间距的刻痕,刻痕为不透光部分,刻痕间的狭缝为透光部分。精制的光栅可以在1cm的宽度内刻出几千条乃至上万条的刻痕。
图 4 光栅
三、光栅尺是如何测量的
光栅尺的测量利用了光栅产生的莫尔条纹现象。莫尔条纹是一种光学现象,在技术上它是指:两条线或两物体间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。在光栅尺中,当我们使标尺光栅与指示光栅产生一个微小夹角时,就会产生莫尔条纹。如图:
图 5 莫尔条纹
那么莫尔条纹为什么会产生这样明暗相间的视觉现象呢?我们以简化图像来做解释。
图 6 简化后指示光栅与标尺光栅所形成的夹角
如上图,当有光源照射时,交叉点近旁的部分由于不透明区域重叠,因而遮光面积最小光线可以大量穿过,又受到遮光效应、衍射效应、干涉效应等多种原理的影响,这个区域就出现亮带。相反,距离交叉点较远的区域,光栅上的不透明区域重叠部分变少,使得遮光面积变大所以就形成了暗带。
1874年英国物理学家瑞利首先揭示出了莫尔条纹图案的科学和工程价值,指出了通过观察莫尔条纹的移动来测量光栅相对位移的可能性。
图 7 瑞利
以下图为例我们简单说明莫尔条纹在光栅尺中的使用。
图 8 莫尔条纹的使用
假设我们要测量位移量x,那么只要知道光栅的栅格宽度d和移动的栅格个数N,位移量就可以表示为x=N·d。栅格宽度已知,移动的栅格数又该如何计算呢?
容易想到,假设有一个固定点,当光线穿过光栅投射到固定点上时,由于光栅的移动,那么固定点上光线的变化就是明暗交替的。
图 9 光栅的交替变化
如果我们记录这种变化,就可以知道移动的栅格数N,但光栅上的狭缝很窄,移动时固定点上的明暗变化难以辨别。倘若我们能将这种现象放大那么问题就可以迎刃而解,而莫尔条纹就有这样的放大作用。
我们来计算一下,将莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度,用W表示。将指示光栅与标尺光栅之间偏差的角度设为θ,指示光栅栅格宽度设为d。而且莫尔条纹的排列方向与两片光栅线夹角的平分线相垂直。
图 10 放大作用计算
又因为θ很小,所以W=d/θ。设d=0.01mm,θ=0.001rad,则W=10mm。这样莫尔条纹就将栅距放大了一千倍,而且每当光栅移动一个栅距,莫尔条纹就会走过一个条纹间距,固定点也就是读数头中的感光元件就会经历一个周期的变化。这样就可以将周期性的光信号转化为正弦信号或者方波信号,这些电信号通过电路整形处理后就可以得到移动的栅格数N,那么物体的位移量自然能够计算。
四、光栅尺如何判断方向
通过以上方法,我们虽然求出了物体的移动距离,但却无法判断它的运动方向,该怎么做呢?我们可以在读数头内放置四个相差四分之一栅距的感光元件,分别是A+、A-;B+、B-。
图 11 读数头内放置感光元件
这样每个感光元件的输出信号之间就会相差四分之一个周期。如图
图 12 A、B相信号
A信号由A+-A-可得,B信号由B+-B-可得。
当A信号超前B信号时尺体正向移动。
图 13 正向移动
当A信号滞后B信号时尺体反向移动。
图 14 反向移动
有些光栅尺还可以输出Z信号也就是回零信号。同时A信号与B信号还具有其他功能,其一:防止信号的干扰。假设,当A信号的上升沿到来时,系统没有接收到B信号的上升沿那么系统就不会计数。或者当A信号受到干扰产生了两个上升沿那么系统也会排除这个干扰。因为,当系统收到A的上升沿时,就会去查询B的上升沿是否到来而不会对A信号的另一个上升沿计数。其二:提高光栅尺的精度。一个完整的信号周期A信号会产生一个上升沿和一个下降沿,B信号也会产生一个上升沿和一个下降沿。计数时,每当A信号的上升沿到来,系统计数一次,这就是一倍频,使用的是光栅尺栅距的精度。当对A信号的上升沿和下降沿分别计数时,就是二倍频,就将一个栅距分成了两份。当对A信号与B信号的上升沿和下降沿都分别计数时,就是四倍频,这样光栅尺就可以测量更加精细的位移。如下图所示:
图 15 倍频
五、其他类型的光栅尺
因为光栅尺在机床中使用较多,每次重启机器时,都要确定光栅尺的位置信息,所以人们又发明出增量式光栅尺和绝对式光栅尺。在增量式光栅尺上刻有一个或多个参考点,通过这些参考点确定位置信息才能够执行回零操作,这些参考点就是之前我们所说的Z轴,但是当机器上有多个轴时回零操作会变得即复杂又耗时。在这种情况下,就可以使用绝对式光栅尺。这种光栅尺是在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道。每当机器重启后,光栅尺可以通过读数头直接读取当前的绝对位置信息,就无需归零操作从而简化了系统的设计。
六、光栅尺的精度和分辨率
最后,我们介绍一下光栅尺精度和分辨率的内容。光栅尺中的精度其实是说光栅尺的制造误差。比如±0.275μm/10mm、±0.750μm/50mm,就是说运动10mm和50mm可能产生的误差分别是±0.275μm和±0.750μm。要注意的是如果光栅尺精度为±0.275μm/10mm并不能推导出±2.75μm/100mm,它们之间是没有这样的线性关系的。光栅尺上标注的分辨率,一般是经过分频得到的。分频方法有上文介绍过的物理分频还有一种电子电路的分频方式。举个例子,当光栅尺的栅距为25um,每当尺体移动25um时就会输出一个周期,在经过电路的50倍细分后尺体每移动25um就会输出50个周期,也就是厂家所说的分辨率为0.5um(25÷50)。需注意的是,当尺体的移动不超过25um时读数头是不会输出周期的。
七、光栅尺的特点
通过以上内容可以总结出光栅尺的特点有:
1 很高的检测精度,经过细分后可以达到0.1微米的分辨率
2 响应速度快,可以实现动态测量,有利于自动化控制
3 对环境的要求高,怕油污、灰尘及振动
4 安装维护困难,成本较高。
以上就是我们对于光栅尺的内容介绍,编码器与光栅尺的结构相差不大很多内容都有共同点,这里就不在另行说明。
八、实验
接下来我们完成一个以数据采集卡采集光栅尺位移数据的实验。本次实验所用的器材有:光栅尺、USB-3313数据采集卡。
图 16 实验设备
在开始实验前我们先了解一下光栅尺的具体参数,此款光栅尺定义行程:200mm(可测量的最大距离约为220mm)、栅距:0.02m(一个信号周期)、精度:0.005mm(最小测量步距)。
光栅尺管脚定义:红色1接电源正极、黑色2接电源负极、绿色3定义为A相信号、白色4定义为B相信号,橙色5定义为Z相信号。
下面我们进行各设备间的接线:首先将采集卡的Ct 0 Src端口与A相(绿色)连接,将Ct 0 Gate端口与B相(白色)连接,将Ct 0 Z与Z相(橙色)连接。因为光栅尺提供了电源插头,我们将光栅尺的GND端也就是电源负极与采集卡的DGND端相连。将电源正极与光栅尺正极(红色)相连,将采集卡与电脑连接。
图 17 设备接线
打开最新的DAQ Software软件,点击Coder,开始设置参数。
图 18 点击Coder
采样率设置为10000。
图 19 设置采样率
通道选择CT 0,编码器类型选择QuaEncodeX4,它意味着每个信号周期可发生四次增量或减量,对应的是每个周期可发生四次测量步距(0.005mm)的增量或减量。在单位变换中设置每脉冲表示值为5,单位是um(微米)。
图 20 通道及单位设置
点击下一步,数据存储不勾选。
图 21 数据存储不勾选
触发选择及时出发,点击完成。
图 22 及时触发
将软件横坐标设置为0至10000,点击启动。光栅尺起始位置是0。
图 23 光栅无动作
滑动光栅尺就可以看到软件将光栅尺的数据信息表现出来,在软件右侧可以直接读出光栅读数头走过224.115mm(毫米)。
图 24 滑动光栅尺
快速移动光栅读数头,可以看到程序波形随之而改变。
图 25 快速移动光栅尺
微小的移动也会反应到波形图中。
图 26 微小移动
以上就是Smacq采集卡连接光栅尺的全部内容。希望可以对大家有所帮助。采集卡的更多内容可在网站内查看。