基于光栅测长度

大连理工大学本科课程设计（论文）题目-I-大连理工大学本科课程设计（论文）题目-II-目录摘要.....................................................................................................错误!未定义书签。Abstract.......................................................................................................错误!未定义书签。引言....................................................................................................................................11总体的设计框图..................................................................................................................21.1总体系统框图...........................................................................................................21.2光栅设计图...............................................................................................................22各部分设计说明..................................................................................................................32.1光栅尺.........................................................................................................................32.1.1光栅尺设计图..................................................................................................32.1.2光栅尺的简介及原理......................................................................................32.2莫尔条纹...................................................................................................................42.2.1莫尔条纹..........................................................................................................42.2.2莫尔条纹的性质..............................................................................................52.2.3检测与数据处理..............................................................................................52.2.4辨向原理..........................................................................................................63电路及其程序......................................................................................................................73.1电路的介绍...............................................................................................................73.1.1单片机的选择及其电路图..............................................................................73.1.2电源电路图......................................................................................................83.1.3复位电路..........................................................................................................93.1.4发光接收及放大电路......................................................................................93.1.5计数显示电路................................................................................................103.2程序设计...................................................................................................................113.2.1系统流程图..................................................................................................113.2.2程序..............................................................................................................11大连理工大学本科课程设计（论文）题目–1–引言现实社会生活中，无论是基于对工业发展的需求，还是日常生活的需要，亦或是学习实验，往往都涉及到对位移的测量，随着经济和科技的发展，对位移测量的精度要求也日益提高。高测量精度的位移测量器对经济和科技的发展都会起到很大的推动作用，显然，提高位移测量器精度，扩大位移测量器的应用广度也就至关重要了。而目前市场上对位移测量的仪器都存有一定的弊端和局限性，有的测量精度不高，有的读数繁琐易错，有的只能测量静止物体的位移……针对以上问题，我们以光栅产生的莫尔条纹为理论依据，并基于单片机AT89S51进行输入设置和输出显示的设计，既方便了使用者的操作，又克服了传统测量位移工具的弊端。大连理工大学本科课程设计（论文）题目–2–1总体的设计框图1.1总体系统框图图1光栅测量系统1.2光栅设计图图2光栅设计图大连理工大学本科课程设计（论文）题目–3–2各部分设计说明2.1光栅尺2.1.1光栅尺设计图图3光栅尺设计图2.1.2光栅尺的简介及原理光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测高了现在加工时的工作效率。在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善，更重要的是提越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床，磨床，车床，线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。如图所示：光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。右图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。光栅检测装置结构：光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）。大连理工大学本科课程设计（论文）题目–4–常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带，从而便形成了我们所见到的莫尔条纹。2.2莫尔条纹2.2.1莫尔条纹莫尔条纹是18世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”(图4所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。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，以W表示。W=ω/2*sin（θ/2）=ω/θ图4莫尔条纹大连理工大学本科课程设计（论文）题目–5–2.2.2莫尔条纹的性质莫尔条纹的性质（1）方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直（2）莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。（3）放大作用W表示栅距，B莫尔条纹的纹距（宽度），θ表示光栅条纹的夹角。则：B=sin2cosW=2sin2WW（4）可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活（5）均化误差作用莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。2.2.3检测与数据处理光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换