唐山学院课程设计
一、系统工作原理光栅位移传感器的原理1.1随着主光与位移部
件固定连接，光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅），则光栅组透光部分θ栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为光栅位移传感器位移即形成了莫尔条纹。呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电时莫尔条纹也移动，信号。
（a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 1 莫尔条纹的原理图电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单 LCD屏显示。片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到系统整体设计框图1.2 所示：系统整体框图如图2四单光放
倍LCD片栅大频机传整位移信号细计感形屏分数器电显辨运路示向算
图2 系统整体框图
该光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。光栅尺移动产生莫尔条纹，辨向电路实现模再经四细分、整形电路将正弦信号变成方波，电信号经过放大、数转换的部分使电路简单，编程容易。细-拟信号到数字信号的转变，省去了模1
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分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结
果。
二、系统硬件设计
2.1放大电路设计
采用同向比例放大电路，如图3：
图3 同向比例放大电路
同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。
采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。
LM324的特点：
短跑保护输出1. 2.真差动输入级 3V-32V 3.可单电源工作：）LM324A 4.低偏置电流：最大100nA（每封装含四个运算放大器。 5. 具有内部补偿的功能。6. 7.共模范围扩展到负电源行业标准的引脚排列8.
输入端具有静电保护功能9. 图引脚图4 LM324
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2.2整形电路设计
图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。
NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。
NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。
LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
图5 整形电路
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2.3细分辨向电路的设计四细分辨向电路如下，图6：
图 6 四细分辨向电路
为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分为记录光栅上移过的条纹，数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使它正好与2个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90°的2路信号，进行4倍细分。
位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，本设计采用的是2个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的2路信号在相位上相差90°，W－光栅的栅距，x－标尺光栅位移量。
2个硅光电池输出的2路信号：
?360x) Ua＝U＋UmSIN(0W??360360xx) Ub＝U＋UmSIN(UmCOS(＋＝°＋90) U00WW4
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位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。2.4单片机及其附属电路
系统中的单片机采用AT89C52系列， AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚（引脚图如图7），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可
有效地降低开发成本。
图7 AT89C52引脚图
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：
·兼容MCS51指令系统
· 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM
· 32个双向I/O口
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· 256x8bit内部RAM
· 3个16位可编程定时/计数器中断
·时钟频率0-24MHz
· 2个串行中断
·可编程UART串行通道
· 2个外部中断源
·共6个中断源
· 2个读写中断口线
· 3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
单片机的连接图如图8：
图8 单片机连线图
AT89C52的复位电路和晶振电路在图8的左上角，晶振为12MHz。图中P2口连接LCD液晶显示屏，作为屏幕的数据接口（其他有关LCD屏的连接在下一节中介绍），P3^4接四细分后的脉冲输出，作为单片机的脉冲信号输入端进行计数。
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2.5 LCD液晶显示屏的设计
建筑工程测量课程 --“经纬仪角度测量-水平角观测”教学设计（6课时）【授课专业】：建筑施工【授课科目】：测量放线 【授课课时】：6课时【授课教材】：高等教育出版社《测量放线》【授课对象】：11级建筑施工2班（共50人） 一、教学对象分析 教学对象为我校建筑施工专业11建筑施工（2）班学生，共50人。 （一）知识技能 1、完成测量学基础知识的学习，了解测量的基本工作 2、完成水准测量部分的学习，掌握学习思路和方法 3、完成了经纬仪结构以及经纬仪使用的学习，能熟练完成经纬仪的操作。 4、理解水平角的概念 （二）经验态度 1、部分学生在专业选择时目的明确，规划清晰 2、有个别学生在课余时间接触过测量仪器，有利于其学习，但会有自己先入为主的主观概念，有不良的操作习惯，并会影响其他学生。 3、学生能够积极思考，认真学习。 4、班级学习气氛较好，有较强的团队合作意识。 5、学生对于技能应用比较看重，不重视理论的学习。 （三）风格特点 1、大部分学生上课能够认真听讲，并能跟随教师的上课思路 2、能够主动学习，发现问题，并能通过小组讨论和请教老师等途径寻求解决方法。 3、仍有部分学生上课思想不集中，导致实际操作过程中会出现各种细节问题。 二、教学目的及要求 （一）知识目标： 1、掌握测回法测定水平角的操作过程和角度计算 2、了解水平角测量的实际应用。 （二）技能目标： 1、熟练经纬仪的操作；
2、能了解误差产生的原因并在测量过程中加以控制； 3、能评价判断测量结果。 （三）素质目标： 1、学会团队合作，能相互协作学习讨论，并在小组学习中构建自己的知识体系。 2、培养认真细致、吃苦耐劳的专业作风，严谨的工作态度。 【原由】： 对于建筑施工专业的学生而言，测量不仅仅是需要了解的技能，更可能是他们以后从事的工作，所以对于测量的基本功的要求更加严苛。 由于中职学生对于理论的轻视，使得在知识层面上的掌握浅薄，所以在理论知识上要求他们熟练记忆。 从岗位需求上看，中职学生要打破社会成见，必须有一定的技能证书，所以面向技能层面的目标是以中级测量工的基本要求为标准的。 对于学生的素质培养是所有教学的基本，先做人，后做事，所以严谨细致的作风和团队合作的精神，是贯彻教学当中的。 三、教学内容分析 （一）教学内容 根据课程要求和中职建筑施工专业学生的就业前景与职业发展，扎实完成测量的基本工作之一：水平角的测量。从基本的测回法入手，在掌握仪器使用的前提下，清晰了解水平角测量的原理和方法，清晰掌握测回法的步骤和注意事项。并通过四边形内角测回法观测这一具体测量项目考核与检查学生的概念理解能力，实际操作能力，合作组织能力以及发散思考能力。具体教学任务为: 1、熟练掌握角度的计算 2、掌握测回法测定水平角的过程 3、完成一四边形内角的观测。 4、分析项目完成过程中的不规范操作并能加以改正。 （二）教材分析 所采用的教材：《测量放线》----高等教育出版社出版 课程内容： 3.2.2 测回法测定水平角 本教材在编排上，先介绍了仪器的操作，再介绍 原理和方法，比较符合中职学生的认知顺序。通过对 教材的整理，拓展了一项综合性的小组任务：四边形内 角和的测量。从而达到理实一体化的教学效果。
摘要 在现代工业生产过程中，常常需要测量很多不同的位移量。与此同时对位移量进行较为精确地检测，是提高控制精度的基础。因此之前所普遍采用的传统位移测量装置已经不能适应时代发展的潮流。在此情况下通过科研人员的不断努力终于研制出了数字式光电编码器,它的输入量是角位移量其输出量是相应的电脉冲,并且它有体积小，精度高的优点。故而，这次毕业设计选用的是光电编码器。 本次毕业设计是以AT89C51单片机为核心，用光电编码器来实现对位移量的精确测量，再将测量结果显示在LCD液晶显示器上。其中本次设计中所选用的是输出电压为5V的光电编码器。 本文由浅入深先介绍了一些关于位移测量的基本原理，进而阐述了各个模块的设计思路，工作过程以及显示效果。本文借鉴了一些当前较为流行的设计思想，例如硬件软件化，很好的满足了设计要求。 关键词：位移，测量，光电编码器，单片机，LCD显示器
Abstract In the control field, a variety of displacement measurements often need to be carried out. In actual industry position control domain, to increase the control precision, carries on the examination to the controlled member is accurately very important.The traditional machinery survey displacement installs has not been able to satisfy the modern production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can transform the angular displacement into with it correspondence electricity pulse output, mainly uses in the mechanical position and the velocity of whirl examination, has the precision to be high, volume small and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displacement to examine. This design to use the electro-optical encoder to realize the displacement survey and the simulation, realizes the survey from the exterior different displacement value and the demonstration. Makes concrete using at89C51 monolithic integrated circuit is the core, the electro-optical encoder carries on the displacement to survey, simultaneously by LCD liquid crystal display module demonstration. This design uses the electro-optical encoder output voltage is 5V, the output signal after four doubling circuit processing sends in the monolithic integrated circuit to carry on counting processing, finally sends in the LCD module demonstration. In this paper, detailed working process of displacement measurement system is started with principle of displacement measurement, and hardware circuit design and display. This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with the subject required functionality. Key words:The displacement surveys, electro-optical encoder, microcontroller, LCD display module
唐山学院课程设计 一、系统工作原理光栅位移传感器的原理1.1随着主光与位移部 件固定连接，光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅），则光栅组透光部分θ栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为光栅位移传感器位移即形成了莫尔条纹。呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电时莫尔条纹也移动，信号。 （a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 1 莫尔条纹的原理图电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单 LCD屏显示。片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到系统整体设计框图1.2 所示：系统整体框图如图2四单光放 倍LCD片栅大频机传整位移信号细计感形屏分数器电显辨运路示向算 图2 系统整体框图 该光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。光栅尺移动产生莫尔条纹，辨向电路实现模再经四细分、整形电路将正弦信号变成方波，电信号经过放大、数转换的部分使电路简单，编程容易。细-拟信号到数字信号的转变，省去了模1 唐山学院课程设计 分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结
果。 二、系统硬件设计 2.1放大电路设计 采用同向比例放大电路，如图3： 图3 同向比例放大电路 同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。 采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。
LM324的特点： 短跑保护输出1. 2.真差动输入级 3V-32V 3.可单电源工作：）LM324A 4.低偏置电流：最大100nA（每封装含四个运算放大器。 5. 具有内部补偿的功能。6. 7.共模范围扩展到负电源行业标准的引脚排列8. 输入端具有静电保护功能9. 图引脚图4 LM324 2 唐山学院课程设计 2.2整形电路设计 图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。 NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。 NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。 LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
光栅式位移测量 欣欣机械学院 摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。 关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉 1 引言 随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。 传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。 2 光栅式位移测量分析 2．1光栅测量原理 2．1．1光栅的分类和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍 射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光 栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分 辨力。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指 示光栅、光电元件三大部分组成。光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电 池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间 距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。 计量光栅的结构图如图2．1所示。
唐山师范学院本科毕业论文 题目角度测量装置的研究与设计 学生 222222 指导教师尹义斌高级实验师 年级 2008级 专业电子信息科学与技术 系别物理系 唐山师范学院物理系 2018年5月
郑重声明 本人的毕业论文<设计）是在指导教师尹义斌老师的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文<设计）作者<签名）： 年月日
目录 标题 (1) 中文摘要 (1) 1 序言 (1) 2 系统基本方案设计 (1) 2.1各模块方案的选择 (1) 2.2系统总体概述 (5) 2.3系统结构框图 (2) 2.4系统总电路图 (3) 3 硬件系统设计 (3) 3.1单片机芯片介绍 (3) 3.2传感器芯片介绍 (4) 3.3AD转换装置 (6) 3.4四分频电路 (9) 3.5液晶显示电路 (10) 4系统程序设计 (13) 系统程序流程图 (13) 5结论 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15) 附录 (16) 外文页 (19)
电子角度测量仪的研究与制作 李洪卫 摘要角度测量装置是某控制系统中瞄准装置的关键部件.在以往的控制系统中,多数都是仅凭设备操作人员眼睛瞄准指定目标,然后作出相应的控制,这样就带来一系列问题,如操作人员的经验、瞄准装置转盘的空回都可能会严重会影响瞄准目标的精确程度,从而严重影响控制系统的精度.为了提高控制系统的瞄准精度,在控制系统的瞄准装置中增加了角度测量装置,操作人员要求目标后所要达到的角度值能够精确定量地显示在操作面板上,帮助操作人员更加准确地实现对角度的精确需求,因此,极大地提高了控制系统的控制精确度.本系统就是角度测量装置的一个简单的应用，设计采用单片机为控制单元，用倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度并使其达到预置角度的目的。 关键词角度传感器单片机 AD转换分频 1 序言 现如今，角度测量装置在很多机械应用系统中都是关键的部位，而且是需要高精度的重要装置，但是在以往的一些控制系统中多数都是单凭依靠设备操作人员的主观判断来锁定目标，然后来做出相应的判断和控制，这就带来了很多问题，比如这会由于操作人员的经验，目测误差以及对装置操作问题所引起的操作误差，甚至误差过大而远远不符合实际要求。所以为了提高角度测量的精度，提高装置的可操作性，所以需要角度测量装置来帮助实现。 本设计开始利用角度传感器SCA60C的角度测量功能对其所在位置的角度输出模拟信号，然后利用模数转换芯片ADC0809将传感器所输出的将模拟量转变为数字量，然后将数字量输入到单片机89c52内部控制并通过数码管输出显示出实际的角度值。 2系统基本方案设计 2.1 各方案论证与比较
实验一 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，d 为 光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
矿井测量与矿图单元教学设计（七） 一、教案头 课题角度测量仪器及其使用授课日期 授课班级12煤矿开采高职课时：2学时上课地点 教学目标 能力（技能）目标知识目标素质目标①能正确地使用经纬仪 ①掌握经纬仪每个部件的名称 和作用 ②掌握经纬仪的使用方法 ①能吃苦，能 忍受，甘于奉 献，具备优秀 意志品质； ②拥有良好 的自学能力， 安全生产。 能力训 练任务及案例能力训练项目： 1、正确的安置经纬仪 作业 课后总结
二、教学过程设计 步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配 告知 （教学内容、目的）本节课主要内容，如何使用经 纬仪 教师介绍仪器展示 学生可提问 并讨论 10分钟 引入 （任务项目） 经纬仪的作用教师讲解图示讲解设置情景15分钟 操练 （掌握初步或基本能力） 讲解符合水准测量、闭合水 准测量 教师演示仪器操作学生观看10分钟 深化 （加深对基本能力的体会）学生练习安置经纬仪教师组织分组操作 组织每一位 学生练习操 作 30分钟 归纳 (知识和能力) 教师点评，讲解操作的注意事 项 教师讲解讲述 学生参与总 结。 10分钟 训练 巩固拓展检验组织学生分组讨论，练习教师组织分组训练 联系使用水 准仪 10分钟 总结教师总结，布置预习内容教师总结讲述学生参与。5分钟三、教学内容设计 序号教学内容（知识点） 或训练点 What 教学目的（为什么教） 或训练目的 Why 教学思路（怎么教） 或训练方法 How 备注 1 说出经纬仪的每个 部件的名称和作用为正确使用经纬仪打 基础 图示、说明、仪器展示 2 正确地使用经纬仪教会学生正确地安置 经纬仪 图示、说明、操作仪器 四、讲义 普通光学经纬仪的结构组成大致可分为基座、度盘、照准部等三大部分，如图2?2?5（b）所示。
一、系统工作原理 1.1光栅位移传感器的原理 光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号。 （a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 图1 莫尔条纹的原理 电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。 1.2系统整体设计框图 系统整体框图如图2所示： 图2 系统整体框图 光栅尺移动产生莫尔条纹，光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。该电信号经过放大、整形电路将正弦信号变成方波，再经四细分、辨向电路实现模拟信号到数字信号的转变，省去了模-数转换的部分使电路简单，编程容易。细 四 倍 频 细 分 辨 向 单 片 机 计 数 运 算 放 大 整 形 电 路 光 栅 传 感 器 位移信号 LCD 屏 显 示
分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。 二、系统硬件设计 2.1放大电路设计 采用同向比例放大电路，如图3： 图3 同向比例放大电路 同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。 采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。 LM324的特点： 1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A） 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 图4 LM324引脚图9.输入端具有静电保护功能
双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，d 为 光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
用光栅和拉线式位移传感器实现试验机 横梁位移和速度误差的检定新方法 黄炯力 （西安计量技术研究院，西安，710068） 摘要：提出了一种新的应用光栅位移传感器和拉线式位移传感器检定试验机横梁位移和速度误差的新方法，设计并研制了横梁位移和速度检定装置，克服了传统检定方法准确度低、效率低下，无法去除系统误差和人为因素引入较大误差的问题，为万能试验机的横梁位移和速度检定提供了一种新的选择。 关键词：光栅、拉线、传感器、横梁位移、横梁速度、计量检定 引言 材料万能试验机是用于各种金属、非金属及复合材料进行力学性能指标测试的计量器具，通过微机控制系统对试验力、位移和形变进行精密测量。在试验机的计量检定中，除了对试验力等参数的检定，JJG475-2008《电子式万能试验机》国家检定规程第7.2条规定了试验机的首次检定中需要检定横梁位移和横梁移动速度的示值相对误差，JJG139-2014《拉力、压力和万能试验机》国家检定规程第6.2条中也规定了必须对试验机的横梁位移示值相对误差进行首次检定。由此可见，试验机横梁位移和横梁移动速度的示值误差是否合格，对于试验机的整机计量性能评价是非常重要的。 一、目前检定方法的缺陷 按照试验机国家检定规程中的规定，传统的试验机横梁位移和横
梁移动速度的检定主要是通过千分（百分）尺、钢直尺、高度尺等简易计量器具对横梁位移进行测量，通过秒表测量横梁移动时间进而间接测量出横梁的移动速度。这种传统的测量方法存在以下几点缺陷。第一、人为引入的误差较大且无法消除，用人掐秒表的方式来测量时间，则人的反应时间必定引入横梁移动时间的误差进而造成横梁移动速度的测量误差。 第二、在测量横梁移动速度的过程中，尤其是在横梁刚启动和最终停止前的这段时间内，由于克服横梁惯性的作用造成了这段时间的横梁移动速度并不是设定值，而是一个瞬时变量，且这个启动和停止的时间段是未知的。这就带来了一个速度测量的系统误差，影响到测量结果的准确判定。 第三、传统测量方法操作程序复杂，费时费力，检定效率低，特别是在低速和短量程的测量时，不仅费时，而且难以保证较高的准确度。 除此以外，对于早先提出的一些改进型（例如采用拉线式位移传感器）的测量方法，虽然克服了上述人为掐表和检定方法落后的缺陷，但仍然无法完全消除由于横梁惯性引入的系统误差问题。 二、采用光栅位移传感器和拉线式位移传感器测量横梁位移和速度 在积累了大量的万能试验机检定经验的基础上，经过对比和探索，我们采用了光栅位移传感器和拉线式位移传感器组合使用的方法实现对万能试验机横梁位移和移动速度的实时精确测量，研制了国内首台多传感器万能试验机速度位移检定仪。 检定仪由高精度拉线式位移传感器、光栅位移传感器、磁力安装
基于单片机的角度测量仪 摘要:本文所设计的角度测量仪是利用AT89S51单片机，该单片机是一款低功耗，CMOS8位单片机，片内含4KB的可系统编程的Flash只读程序存储器的单片机，角度测量仪将被测物体与光电编码器同轴转动，将光栅的光信号传输给光电编码器内部的光敏电阻，经过处理后产生脉冲，通过编写程序导入单片机，当来一个脉冲下降沿沿时，定时器中断，则脉冲数加一，进而将脉冲数转换成数字量，通过转换成角度量，最后通过液晶显示屏直接显示所测出的角度。本文同时分析了角度测量仪的硬件组成，设计原理，给出了设计程序。 关键字：光电编码器单片机显示屏角度测量
目录 1 前言 (1) 2系统的基本构成 (2) 2.1系统的框图 (3) 2.2光电编码器的原理 (3) 2.3 AT89S51单片机的原理 (6) 2.4液晶显示屏原理 (8) 3硬件部分的设计 (10) 3.1 .脉冲数与角度的关系 (10) 3.2光电编码器与单片机的接口技术 (10) 3.3系统仿真框图 (11) 4软件部分的设计 (12) 4.1软件部分总程序框图 (12) 4.2中断程序流程 (13) 4.2.1外部0 中断 (13) 4.2.2定时器中断 (14) 总结 (16) 参考文献 (18) 附录19
1 前言 角度测量是计算科学的重要组成部分,随着社会的发展，角度测量越来越广泛应用于机械，光学，航空航天等各个领域，技术水平和准确度也在不断提高。随着科技的进步，测角技术的精度不断提高，测量领域也不断扩大；数字化的发展使测角技术实现自动化，测角的方法也越来越多。 角度是一个重要的几何量计量参数，它不仅应用于军事领域还运用于商业领域和工业领域，而我国的角度测量技术也经过了几十年的发展，随着21世纪科学技术的不断发展，传统的角度计量工具框式水平仪和机械式测量方法将被数字角度测量仪所取代，数字角度测量仪具有性能稳定，工作可靠，测量精确度高，使用简单，因此一个电子检测数字显示的现代化角度测量时代即将开始。 近年来工业上常用的测角方法有机械式测角技术、激光测角技术和光学测角技术。机械式技术由于研究较早，技术已经非常成熟。其优点是简单、成本低，但是其设备体积庞大，测量延时大、精度低，多数情况下不能实时动态测量，而且不能实施非接触式测量，所以不合适高精度的角度测量。光学测角技术是随着新型光电材料和器件的出现而发展起来的，光电编码器方法测角具有体积小，重量轻，品种多，分辨力高，承载能力强，性能稳定，可靠使用寿命长等诸多优点。 基于单片机的角度测量仪的系统简介 光电编码器是集光，机，电于一体的转速位移传感器，当编码器转轴带动光栅圆盘旋转时，发光元件发出的光被光栅盘的狭缝切割成断断续续的光线，并被接收元件接收产生初始信号，该信号经后继电路处理后输出脉冲信号，该脉冲信号传输给AT89S51单片机，利用AT89S51单片机内部的计数器实现对光电编码器输出脉冲的加减可逆计数，而输出的脉冲数与角度值成正比，通计算脉冲数进而算出角度值。角度测量仪利用单片机算出脉冲数，用液晶显示屏读取光电编码器测出的角度值。
位置检测装置 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。 一、数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。 二、位置检测装置的主要性能指标： 1.精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和 高速实时测量的要求。 2.分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。 3.灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4.迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统 的传感器要求迟滞小。 5.测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 6.零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了 变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。 三、位置检测装置分类： 1.按输出信号的形式分类： 数字式：将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。 模拟式：将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位/ 电压幅值变化） 2.按测量基点的类型分类： 增量式：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。 绝对式：测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。 3.按位置检测元件的运动形式分类： 直线式：测量直线位移。 回转式：测量角位移 四、适合锯床用传感器分析： 1.光栅 光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，圆光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。 与其他位置检测装置相比，光栅的主要特点如下： 1)检测精度高。直线光栅的精度可达3μm，分辨率可达0．1μm。
119 实验一 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，d 为 光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。 SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。 激光干涉仪角度测量方法 1.1.1. 角度测量构建
与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。 图1-角度测量原理及测量构建 图2水平轴俯仰角度测量样图图3-2水平轴偏摆角度测量样图 1.1. 2. 角度测量的应用 1.1. 2.1. 小角度精密测量 激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。
图4-小角度测量实例 1.1. 2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量 由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。 图5-水平方向角度测量 图6-垂直方向角度测量 在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。
（ 2014年6月23日 科研训练论文(文献综述) 题 目：光栅式位移测量技术综述 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：测控系 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控 指导教师：
光栅式位移测量技术综述 摘要：光栅式位移测量技术具有其他测量技术不具备的独特优点,基于干涉的光栅技术可以获得比几何莫尔术更高的测量准确度、更高的分辨率,在诸如微电子、超精加工、生物工程等众多领域有广泛的应用前景。本文围绕光栅式位移测量技术的基本原理，介绍了光栅莫尔条纹位移测量法以及光栅干涉位移测量法的原理，对几个光栅测量系统：经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统的测量原理进行概述，并说明了各系统的关键问题及不足之处。对介绍的测量方法进行综合比较之后，总结了光栅测量的关键问题，并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。 关键词：光栅原理；干涉；莫尔条纹；位移测量；测量与计量 1、引言 几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微/纳米技术、微型机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。 纳米测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的关键技术之一,是整个纳米科技领域的先导和基础,是当前计量科学领域的重要课题。作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,光栅技术具有其他传统测量技术所不具有的独特优点，使其广泛应用于生活生产的各个领域。从20世纪50年代到现在，随着激光技术在精密位移测量中的应用，光栅式位移测量技术有了高速的发展。 2、光栅式位移测量技术概述 位移是工程生产中比较重要的物理量之一，尤其是在数控加工方面精密位移的测量变得尤为重要。随着社会科学技术的高速发展，工程生产中对于位移测量的要求也逐渐变得苛刻起来。位移测量尤其是精密位移的测量在这种环境之下急切地需要新的理论和方法的发现来发展和提高自身。直到18世纪法国研究人员莫尔先生发现了一种光学现象——莫尔条纹和19世纪初光的干涉现象的发现，这两项重大的发现使得位移测量技术的高速发展，最后导致了光栅式位移测量技术的出现。该项技术的出现使精密位移测量进入一个崭新的时代，同时也造福了全人类。
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2017年第36卷第3期 DOI：10．13873/J．1000—9787（2017）03—0104—03 MEMS无线数显角度测量仪设计* 何荣华，张大兵，彭望龙 （湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105） 摘要：针对双轴或单轴高精度角度测量的工况需要，采用8位单片机为主控芯片，高精度数字MEMS为 传感器芯片设计了一种体积小、功耗低的无线数显角度测量仪。远端上位机通过ZigBee无线模块对测量 仪进行操作和三维显示，同时集成OLED屏可就地显示测量数据。具有双轴?90?倾角测量和单轴绝对式 0? 360?转角测量功能。测试结果表明：该测量仪测量精度为0．1?，具有较高的推广应用价值。 关键词：MEMS传感器；ZigBee无线模块；角度测量；虚拟仪器 中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000—9787（2017）03—0104—03 Design of wireless digital display for angle measurement meter based on MEMS* HE Rong-hua，ZHANG Da-bing，PENG Wang-long （School of Mechanical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan411105，China） Abstract：To meet the requirement of high precision double-axis or single-axis angle measurement，present a novel wireless digital display instrument for angle measuring，high precision digital MEMS measuring instrument with small volume and low power consumption for sensor chip by using8-bit Microcontroller as the main control chip．The measuring instrument and three-dimensional display are being operated through ZigBee wireless module and the remote host computer．Meanwhile，integrated OLED screen can display measurement data on the spot with the function of double-axis?90?incline angle measurement and single-axis absolute0? 360?turn angle measurement．The test results indicate that precision of this measuring instrument is0．1?，which has a high application value． Key words：MEMS sensor；ZigBee wireless module；angle measurement；virtual instrument 0引言 角度测量仪可广泛应用于建筑、道路、桥梁和地质勘探等重力参考系下的倾角和转角测量，也是许多工业设备的一个重要组成部分，精确的测量角度对这些工业设备的正常运行具有重要意义。MEMS技术是一种新兴的技术，它将集成电路与机械装置集成于一个芯片中，与传统的机电系统相比，其体积小、功耗和成本低。吴晓鹏等人［1］基于ADI公司MEMS惯性传感器ADIS16209芯片设计了双轴倾角测量仪，与Crossbow Technology公司的高精度测量仪AHRS得到的结果进行比较分析，测量误差在1?以内，分析原因认为是没有进行滤波降噪处理；梁应选［2］采用单片机为主控单元，增量式编码器为前端传感器，外加中间四细分辨相处理电路设计出了精度为0．25?的转角测量系统；光电编码器和光栅角度传感器价格高，耐振和耐冲击性能较差，受环境因素影响较大［3］；刘建航［4］以PIC16F685单片机为主控芯片，利用ADXL345数字式传感器三轴加速度测速计测量倾角，精度误差在?0．5?之内，由此可看出，以上两种倾角测量仪精度都不太高，难以满足高精度测量要求。 在实际应用中，由于环境原因，很多测量现场不方便布线，使测量数据很难获得，因此，通过低成本高可靠性的无线通信技术获得测量数据具有很大的实用价值。ZigBee技术是一种应用于中等距离范围内低传输数据速率下电子设备之间的无线通信技术［5］，依靠ZigBee技术可实现低成本、低功耗、低复杂度和高可靠性的无线通信网络的组建。 本文将结合MEMS技术、ZigBee技术和LabVIEW软件设计一种无线数显角度测量仪，不但能实现?90?测量范围内的双轴测量，还能实现0? 360?的绝对转角测量，且均能达到0．1?的测量精度，其次还能进行加速度测量，具有多功能特点。所有测量值均可就地在OLED显示屏上显示，还能通过ZigBee无线模块传输至上位机实现图形和数字 收稿日期：2016—03—26 *基金项目：湖南省科技计划资助项目（2014FJ3070）；湘潭大学国家级大学生创新性实验计划资助项目（2014xtusj05）401