基于光电传感器的坐标传感器的设计

引言

    小区域坐标测量技术有着重要的工程应用价值，坐标传感器是这一领域的关键部件，采用光电元件设计是因为以其高精度、高分辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这一现象实现几何增量，设计成光电传感器，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。为了满足实际工程的需要，小区域坐标测量技术正逐步受到重视，但是目前关于传感器应用的文献中，对此方面论述的不多。本文就传感器的工作原理、电路设计、及其应用和检测信息的处理方法进行了论述。

1、光电传感器工作原理

    光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障

    碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。

    具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。

2、光电传感器测量位移和方向的工作原理

2.1 传感器的结构设计

    如果将被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间，圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。如图1所示，若旋转圆盘没有旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，X光敏二极管上输出电压波形，Y光敏二极管上的输出电压波形是相同的，相位是相差π/2的。若圆盘旋转，双输出型的输出电压波形如图2所示，（仅画出Q1的时序图，Q2的时序图道理一样）圆盘转动方向若向左，Q2输出电压相位落后被屏蔽；反之，圆盘向右旋转，Q1输出电压相位超落后被屏蔽。因此，两个输出电压的相位关系反映圆盘的旋转方向，圆盘的位移可以通过Q1，Q2输出脉冲个数的代数和得到。       

 图1

图2

2.2 传感器的电路设计

    X光敏二极管与Y光敏二极管在相位上相差π/2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π/2。当圆盘作正向转动时，X信号超前Y信号。因为电路比较复杂，采用美国Lattice半导体公司推出的ispEXPXRT软件对CPLD器件进行硬件编程，如图3所示电路图是基于CPLD设计的。或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的置位端只许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在加减计数器中作加法运算。当圆盘作反方向转动时，则Y产生的负值信号超前X产生的信号，或门C1产生的信号作为D锁存器Q2的置位端只让Y产生的负脉冲通过，而D锁存器Q1因为C1作用时X信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q1输出低电平，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。工作原理图如图4所示。  

图3

图4

3、光电式坐标传感器的结构设计及坐标算法

3.1 结构设计

    在实际的设计过程中，首先根据需要设计传感器的测量精度及范围。精度可以通过计算圆盘上的狭缝密度完成，传感器圆盘的形状及尺寸大小由测量范围来确定，整个传感器系统结构框图如图5所示。 

图5

   测量结构如图6所示，由四个光敏二极管(元件1、2、4、6)、两个光源（发光二极管3、5）、位移圆盘7、方向圆盘9及传动轴8组成。将传感器垂直配置，分别代表位移z和Φ移动方向，组成一个二维传感器。

图6

3.2 坐标算法

    当被测物坐标发生时，圆盘7转动，光敏二极管4和光敏二极管6通道的信号发生变化，通过接口电路自动传输到计算机里，计算机自动对输入通道的信号进行数据采集。如果前进或者后退的角度发生变化，位移圆盘9角度也随着发生变化，通过传动轴转动带动方向圆盘产生转动，使得圆盘9上的狭缝通断光敏二极管上的光照，发出与前进或后退相应的电脉冲信号，通过接口电路自动传输到计算机里，对输入通道的信号进行数据采集。并将采集的数据进行储存，形成数据库，以备计算机通过数据计算确定自身的坐标位置，并通过相应接口进行数据输出。相对坐标XN、YN计算公式如下：

    XN=Z*cosYN=Z*sin

    为了确保测量精度，计算机的采样时间不能太大，应该接近光电传感器的反映时间，最好同步，或者成倍数关系。

3.3 坐标与电压的转换

    根据光——电转换原理，输出的电压变化规律也正好是周期变化，变化的灵敏度与狭缝之间的距离有关，狭缝之间的距离可以根据需要加工，但受到工艺和技术水平的限制，也可以通过计算机特性补偿得到。

3.4 输入信号的线性化处理

    若输入与输出量之间为直线性比例关系，称为线性关系。然而理想的线性关系的传感器极少。为了实现其线性化可采用电子电路，也可以使用计算机的修正功能。

4、测试结果

    将自行设计的传感器，应用于足球机器人场地与球门的坐标位置测试，在1.000m×1.000m的平面场地上进行测试，测量数据与实际数据比较如下：

   上图表明在较小的区域内，采用低成本的组合传感器完成坐标的自动检测，并且输出比较稳定，抗干扰能力强，达到预期设计要求。

5、结论

    通过本文给出的设计方法，设计出光电式坐标传感器，它具有集成化特点，灵敏度高，抗干扰性强、体积小等特点，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。因此，光电式坐标传感器具有广泛的实用性。缺点：测量中注意传感器测量地连续性，不可中途中断使用，需要专业安装技能，光源应与使用场合匹配。需要今后在此方面不断的努力，改进和完善坐标传感器的功能。