直线光栅位移传感器在汽车侧滑量测试中的应用

2012-05-12段晓平

山西电子技术 2012年4期

段晓平

(韶关市光栅测量控制技术研究所，广东韶关512026)

在汽车侧滑量的检测中，位移检测是重要的技术之一。由于侧滑量测量中滑板位移速度极快，测量时对响应速度的要求较高。计量光栅具有量程大、分辨率高、响应速度快、抗干扰能力强的特点。为了满足高精度高速位移测量的要求，在汽车侧滑量检测中采用计量光栅作为位移传感器，以高速单片机为控制核心，实现对侧滑量的快速准确的测量。

1 侧滑量的测定

汽车前轮定位参数是影响汽车操纵性和稳定性的重要因素。汽车如果没有正确的前轮定位，将引起转向沉重、操纵困难、增加驾驶员的劳动强度，同时，转向车轮在向前滚动时将会产生横向滑移现象。动态检测法是使汽车以一定的行驶速度通过侧滑试验台，从而测量转向轮的横向侧滑量。系统采用光栅传感器测量侧滑试验台横向位移，通过光电元器件直接检测光栅相对运动产生的干涉莫尔条纹，输出对应的光电脉冲，实现对侧滑量位移的测量。

1.1 光栅传感器的工作原理

光栅传感器主要由主光栅、指示光栅、光电元件和传感器壳体构成。指示光栅与主光栅构成一对光栅付。传感器壳体在主光栅滑槽的两边安装有两对光敏器件，发光管发出的两路平行光通过两条光缝，穿过光栅干涉面到达另一边的光敏接收管，光敏接收管用来检测干涉莫尔条纹引起的光强变化并输出相应的电流波形。采用双光路设计可以实现运动方向判别和脉冲细分，从而提高传感器的测量精度和实现判向功能。由于采用红外发光管作为光源，不仅使传感器寿命长、抗干扰性好、成本低，而且使传感器的体积和重量进一步缩小。传感器在制造时必须保证主光栅和指示光栅的栅线保持固定微小夹角θ，光栅面保持合适的微小间距，这样当与被测物体的连接的主光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时，在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹，通过光电元件检测莫尔条纹数量和方向即可以得到位移量或转角大小以及它们的方向信息。干涉得到的莫尔条纹间距B比原来光栅本身的栅距W放大了1/θ倍，因此，传感器可以通过检测莫尔条纹的数量得到光栅相对位移量。指示光栅通常固定在被测物体上，并且随被测物体移动，主光栅的长度决定传感器位移检测范围。指示光栅与光电元件属于传感器的移动部分，光电元件用来感测随指示光栅的移动而产生的莫尔条纹的光强变化，当两块光栅相对移动时，可以观测到莫尔条纹的光强变化。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹便走过一个条纹间距，电压输出正好经历一个正弦变化周期，当光栅连续运动时，通过电路整形处理，这一正弦信号变成一串连续脉冲输出。脉冲数和条纹数与移过的光栅栅距是一一对应的，因此位移量为:d=NW。

1.2 光栅传感器数字信号检测系统的组成

光栅传感器设计成双光路结构，两路光敏管输出的信号始终保持1/2π相位差，输出一组正交信号，经放大和整形电路后，再各自取反，从而得到四路相位彼此相差1/2π的正交方波信号，这些信号再经过提取边沿处理即可以实现四倍细分，同时根据边沿的时序可以判断主光栅的运动方向，以消除由于光栅往返回复运动给位移检测带来的误差。目前，计量用光栅尺的刻线一般为每毫米50～250线，对应的栅距W为20～4 μm，在精密测量中往往不能满足要求，需要进行细分。光栅尺信号的细分与辨向是提高光栅尺测量精度的关键性一步。要提高其测量分辨率，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节。在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度。四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路。光栅传感器输出两路相位相差为90°的方波信号A和B。用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动。四倍频后的信号，由微处理器内部定时计数器实现计数。图1为光栅传感器输出信号示意图。

图1 光栅传感器输出信号示意图

图2 光栅信号倍频判向原理图

1.3 光栅传感器在侧滑测试台的应用

通过侧滑试验台检测汽车转向轮侧滑量。使汽车以一定的行驶速度通过侧滑试验台，由于汽车前轮定位参数使转向轮在向前滚动时将会产生横向滑移，使侧滑试验台滑板滑移，与滑板接触的直线复位式光栅传感器精确测出滑板的位移变化，光栅位移信号经细分、判向，计算机数据处理，锁定测量过程中的最大值，根据滑板的尺寸换算成侧滑量量纲，准确测出汽车转向轮的侧滑量显示并传输至上位机。经测试光栅传感器的响应速度约为每秒1米，满足侧滑测试的响应速度。侧滑量测量原理如图3光栅位移传感器在侧滑量测量中的应用。