一种新型光电位移传感器在Y-200圆度测量仪中的应用

李国斌，李利歌

（洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）

滚动轴承是一种具有高度互换性的机械基础件，是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件。随着工业的发展，对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求。检测是保证轴承质量的一个重要环节。而轴承套圈与钢球的圆度对轴承的性能影响非常大，圆度的检测至关重要。

目前，用于解决测量小位移的方法主要有电磁法和电容法，这两种电路的基本测量原理均是通过交流激励信号连续对传感器施加电流，形成与被测位移成比例的电流或电压信号，从而测量出被测位移值。电容式传感器由于输出特性的非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器联接的电路比较复杂等，影响到其应用的可靠性，需要采取一定的补偿和校正措施；电感式传感器电源的频率波动会导致测量误差，电源电压与输出电压还存在一定的相移，过大的正交分量会使波形失真，需通过相敏整流电路来削弱。相对电容式和电感式传感器相对复杂的电路结构和测量误差较大的缺点，光电传感器根据硅光电器件光照面积的变化测量位移变化，具有结构简单，体积小，灵敏度高，转动惯量小，抗恶劣环境性能好等一系列特点，在军工、汽车、轮船等工业生产各个领域得到了广泛应用，是当前传感器的重要发展方向之一。

在此主要设计了一种性能优良，高精度，完全无接触的光电位移传感器，仅从定片基板上引出电极，动片的转动完全自由。应用高精度的仪器放大器INA122和数字转换芯片ADS1210进行数据处理，将此传感器应用于Y-200圆度测量仪测试钢球的圆度，并对测量结果进行了分析。

1 光电传感器的工作原理及其外围电路设计

1.1 光电传感器的基本工作原理

对于光电传感器，不考虑边缘光的衍射影响时，其光电流值为：

I＝ηES。

式中：η为硅光电池转换效率；E为照度；S为光照面积。

因此，只要照度或光照面积这两个物理量直接或间接地变化，都能引起电流的变化，通过一定的测量线路将其转化为有用的信号输出，据此判断物理量的变化，这就是光电传感器的基本工作原理［1］。根据改变的物理量不同，光电传感器可以分为2种：（1）变遮光面积式，一般用来测量微小的线位移；（2）变光通量式，常用于光强的测量，也用于测量介质湿度，密度等状态参数。

可见，只要能转换为机械位移变化或物质介质性质变化的物理量如压力、速度、加速度、力、湿度、密度等，均可制成相应的光电传感器。因此光电传感器具有很广的应用领域［2］。

1.2 光电位移传感器的设计

所设计的光电位移传感器采用变遮挡受光面积式，通过改变两个硅光片正对受光面积来改变电流值。为了从固定的硅光片上引出导线以及保证传感器输出量为线性值，将传感器设计如下：在印制板上用焊装的方法固定好两个硅光片，作为位移传感器的信号接收板。其中定片的中间部分是不连通的，由硅光片a，b组成；动片为遮光挡板［3］，其形状如图1，图2所示。

4根导线分别从定片的印制板上引出，为了减少电磁干扰，导线需要屏蔽。将动片装置在直线轴承上，再与定片平行放置，距离尽可能小，保持平行运动。初始位置如图3所示。当动片移动一定位移量δ时，平行光、遮光动片和两个硅光定片上正对部分就构成了两个光电流I1和I2（图4）。

图3 初始位置

图4 移动δ后的位置

下面对光电流进行计算：

式中：δ为传感器动片移动的距离；h为传感器动片宽度。

如图4所示移动位移δ时，由（4）式可知在光照E和动静片尺寸不变的情况下，δ∝ΔI，呈线性关系。

1.3 位移信号的采集与处理［4］

光电传感器由于受几何尺寸和光源的限制，光电流都很小，一般仅几微安到几十微安，故需选用高阻抗元件。同时由于电流值太小，使其易受外界的干扰，信号的提取比较困难。传统的测量方法采用脉冲光源和脉冲宽度调制电路等，这些电路复杂，调试困难，稳定性能有限且设计成本很高。光电传感器的光源采用恒定直流光源；信号采集电路采用模拟差动输入方法提取，有效地消除衍射光对测量灵敏度和精度的影响。光电流信号电路硬件图如图5所示。

图5 光电流信号电路硬件

1.4 电路测量精度的提高

选择BURR-BROWN高性能A／D数字转换器ADS1210芯片，将位移由模拟量转换为数字量，再根据需要对数据进行处理。该器件集成度高，外围电路简洁，完全通过软件控制，应用灵活，结构如图6所示。

图6 数字转换器ADS1210芯片的结构图

由于电源对精度影响大，为了减少其影响，电源必须稳定且噪声小。因此，使用MAX666作＋5 V电压的稳压芯片，利用电容的作用减少电压波动。电路图设计如图7所示（图7中Vcc是经稳压后输出的电压）。ADS1210采用差分输入，同时输入端电压不能大于电源电压且不能小于零。为了能输入双极性信号，并加大测量范围，提高测量精度，采用图8所设计的电路。图8中差分输入的负端接芯片REF192的2.5 V输出，保证差分基准电压的稳定。差分输入正端利用两电阻调节，以满足测量范围的要求。图中3.3 V电压由REF196稳压芯片提供。当输入信号在-5～＋5 V内变化时，可算出AINP处的电压范围约为1.25～3.75 V。2.5 V对应的是零点，而AINP接2.5 V就实现了对地信号的采样转换。

图7 减少电压波动图

图8 差分输入图

使用ADS1210校正寄存器，可通过编程对AD转换的数据进行校正，进一步提高测量精度。通过CMR中的MD2～MD0位，选择自校正模式。在编程时，必须严格遵守校正的时序。在AD转换前失调因子写入相应的校正寄存器，然后必须让／DRDY保持高电平，持续一个保持周期。在这个持续时间内，ADS1210会依据失调因子自动完成校正工作。最后／DRDY变低完成此次转换，同时ADS1210进入正常模式下工作，MD2～MD0位自动恢复为000。另外必须注意系统失调校正范围和满量程校正范围受下列公式限制：

式中：Vps为满量程电压；︱Vos︱为失调电压的绝对值；REFin为基准电压；GAIN为系统放大率。

2 试验结果与分析

由于存在加工尺寸的分散性，传感器在正中间位置时位移值并不为0，即存在分散性的影响，在进行D／A转换前需要调零，然后通过硬件归一化，使在量程范围内传感器的输出为0～5 V，通过ADS1210对数据的自校正位处理后，光电传感器的位移值在-2～2 mm的范围内，观察到输出由50 mV线性增大到4.95 V。在微动台架上测量的试验结果如图9所示。

图9 试验数据

线性拟合的相关系数为0.999 38，表明传感器输出的线性度很高，24 bit的D／A转换器的有效精度达到5 mV，位移可准确测量到0.1μm。

3 光电传感器在圆度测量中的应用结果及分析

将所设计传感器用于Y-200圆度仪，测试5级钢球的圆度，钢球尺寸为3.175 mm，标称圆度值为0.13μm，图10为电感传感器测量结果，图11为光电传感器测量结果。

图10 电感传感器测量结果

图11 光电传感器测量结果

从图10和图11可以看出在被测对象、评定方法和滤波范围相同情况下，用电感传感器测得的结果为0.23μm，而用光电传感器测得的结果为0.14μm，光电传感器测得的结果与被测钢球的标称值基本一致，可见采用光电传感器的测量精度比电感传感器的测量精度高。用安装光电传感器的圆度仪对此钢球进行多次测量，几次测量结果平均值为0.14μm，证明测量结果具有较好的重复性。利用此圆度仪测量轴承内外圈的圆度，没有出现异常现象，说明将设计的光电传感器用于圆度测量仪上，测量稳定可靠。

4 结束语

通过试验可知所设计的光电传感器的频响、精度和线性度相当高，在-2～2 mm范围内移动时线性输出5 mV～4.95 V，位移可准确测量到0.1μm，传感器的非线性可以达到0.01%～0.03%。该光电传感器外形结构和外围电路简单，电引线静止不动，对测量力完全没有影响，延长使用寿命。将该光电传感器应用在Y-200圆度测量仪中，缩小了电路部分的体积，实用结果表明测量精度高、稳定性好、分辩率高。如果改变该光电传感器的形状还可以测量角度，因此该传感器具有很广的应用范围。