專利名稱：高精度數(shù)字式直線位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種直線位移傳感器，具體地說(shuō)，是涉及一種具有 很高精度的數(shù)字式直線位移傳感器。
技術(shù)背景-
在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其在航空航天、自動(dòng)軍械裝備等領(lǐng)域要求直線位 移檢測(cè)具有更高的精度和分辨率，這就對(duì)直線位移傳感器的要求大大增 強(qiáng)。當(dāng)前用于直線位移測(cè)量的傳感器種類很多，但現(xiàn)有的傳感器在實(shí)際 應(yīng)用中或多或少都存在著一些問(wèn)題，有的設(shè)備復(fù)雜、成本高，有的對(duì)環(huán) 境要求高，有的精度低、線性范圍小，有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高。如 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但容易受寄生電容和外界干擾。 電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率大，輸出阻抗小，抗干擾能力強(qiáng)，但 它動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，易受磁場(chǎng)干擾。磁柵傳感器安裝使用方便，成本低，單 精度不高，使用時(shí)需屏蔽，抗干擾能力差。光柵尺測(cè)量精度高，可控性
好，被普遍采用。如德國(guó)HEIDENHAIN、日本MITUTOYO等公司生 產(chǎn)的直線位移光柵尺精度和分辨率很高。但光柵尺對(duì)使用環(huán)境要求高， 要求光柵運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)突變和相對(duì)低速，且不能受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵、油污 和水氣污染。國(guó)產(chǎn)的光柵傳感器份量重、精度低、性能不穩(wěn)定，而進(jìn)口 的高精度光柵尺價(jià)格昂貴。此外光纖直線位移傳感器及激光傳感器均存 在成本高的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低、測(cè)量精度和分辨率 高的高精度數(shù)字式直線位移傳感器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種高精度數(shù)字式直線位移傳感器，其特征是包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光 柵盤，光柵盤上設(shè)有一條透光刻線，光柵盤上方設(shè)置直線軌道，直線軌 道兩端分別固裝一個(gè)反射式紅外光電傳感器，另有一個(gè)反射式紅外傳感 器與直線軌道上的移動(dòng)物體連接，光柵盤面向反射式紅外傳感器的一面 為光亮面。
本實(shí)用新型所述的高精度數(shù)字式直線位移傳感器的有益效果主要 表現(xiàn)在
1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光柵盤制作簡(jiǎn)單，只須開一條透光刻線，線寬不需要很 窄，只要能夠使所采用的反射式光電傳感器工作就可以。安裝方便， 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化非接觸式檢測(cè)。
2. 成本低，測(cè)量范圍大。
3. 精度和分辨率高，在保持電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的前提下，采用高頻脈沖填 充法，可獲得很高的精度。
4. 測(cè)量前無(wú)須調(diào)零，無(wú)須判向電路，可通過(guò)軟件直接判向，方便了檢
測(cè)過(guò)程。

-
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型所述的高精度數(shù)字式直線位移傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型所述的直線位移傳感器測(cè)量原理俯視簡(jiǎn)圖1; 圖3是本實(shí)用新型所述的直線位移傳感器測(cè)量原理時(shí)序圖h 圖4是本實(shí)用新型所述的直線位移傳感器測(cè)量原理俯視簡(jiǎn)圖2; 圖5是本實(shí)用新型所述的直線位移傳感器測(cè)量原理俯視簡(jiǎn)圖3; 圖6是本實(shí)用新型所述的直線位移傳感器測(cè)量原理時(shí)序圖2。
具體實(shí)施方式
一種高精度數(shù)字式直線位移傳感器，包括電機(jī)6驅(qū)動(dòng)的光柵盤5，光 柵盤上設(shè)有一條透光刻線7，光柵盤上方設(shè)置直線軌道4，直線軌道兩端 分別固裝一個(gè)反射式紅外光電傳感器l、 2 (靜傳感器)，另有一個(gè)反射 式紅外傳感器3 (動(dòng)傳感器)與直線軌道上的移動(dòng)物體連接，光柵盤面 向反射式紅外傳感器的一面為光亮面。
使用的圓光柵只開有一條透光刻線，光柵盤采用反射性能較好的亞 光鋁等材料制作，其面向反射式光電傳感器的一面為光亮面。當(dāng)透光刻
線經(jīng)過(guò)反射式光電傳感器時(shí)，傳感器輸出一低電平脈沖。當(dāng)刻線不經(jīng)過(guò) 反射式光電傳感器時(shí)，傳感器的紅外發(fā)射管發(fā)出的光經(jīng)光柵盤面反射， 接收端輸出高電平。4為物體直線運(yùn)行軌道，被測(cè)物體沿軌道直線運(yùn)行， 反射式光電傳感器l、 2固定在軌道兩端，反射式光電傳感器3跟隨被測(cè) 物體運(yùn)動(dòng)。為了分析方便，以下將反射式光電傳感器l、 2簡(jiǎn)稱為"靜傳 感器l"、"靜傳感器2"，反射式光電傳感器6簡(jiǎn)稱為"動(dòng)傳感器"， 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)稱為"同步轉(zhuǎn)速"。 1.被測(cè)物體移動(dòng)方向與同步轉(zhuǎn)向相同
測(cè)量原理俯視圖如圖2所示，設(shè)同步轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，n為同步轉(zhuǎn)速，被測(cè)物體初始位置在AO處，在測(cè)量前先啟動(dòng)同步電機(jī)(或步進(jìn) 電機(jī))帶動(dòng)光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)，光柵透光刻線分別經(jīng)過(guò)靜傳感器1、動(dòng)傳感器、 靜傳感器2后，會(huì)依此輸出三個(gè)脈沖信號(hào)(假設(shè)經(jīng)過(guò)處理后均為負(fù)脈沖
信號(hào))。
傳感器測(cè)量原理時(shí)序圖如圖3所示。在測(cè)量之前，同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后， 靜傳感器l、動(dòng)傳感器、靜傳感器2的輸出的脈沖信號(hào)分別如圖3中的脈 沖A、 B和D所示。靜傳感器1與動(dòng)傳感器的初始相位差為《。此時(shí)我們?cè)?兩脈沖間填充高頻脈沖，在靜傳感器l脈沖下降沿啟動(dòng)高頻脈沖計(jì)數(shù)，在 動(dòng)傳感器下降沿停止計(jì)數(shù)(如圖3中的脈沖C所示)，則計(jì)得的高頻脈沖 個(gè)數(shù)M與《成正比。同理，在兩個(gè)靜傳感器輸出脈沖間填充高頻脈沖， 設(shè)0 =《+《+《+ & ，則高頻脈沖數(shù)^與0成正比。當(dāng)光柵刻線繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 與靜傳感器l再次接觸時(shí)，可得到同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360。所計(jì)得的高頻脈沖 數(shù)W。可得
《- Jx360。 乂
__ (設(shè) 知)
1 Sz'"(18。H) 5 5
當(dāng)被測(cè)物產(chǎn)生了線位移，則帶動(dòng)動(dòng)傳感器同步移動(dòng)，設(shè)從位置」。轉(zhuǎn) 到位置4，此時(shí)靜傳感器輸出脈沖不變，動(dòng)傳感器輸出脈沖如圖3中的F 所示。此時(shí)，我們?cè)趦擅}沖間填充高頻脈沖如圖G所示，則脈沖個(gè)數(shù)乂與 《+《成正比，W4=7V5-iV,與《成正比。可得
2 iV。2 _ s/"(i8o-n《)1
同理，當(dāng)被測(cè)物以4為初始點(diǎn)，又順時(shí)針從位置4轉(zhuǎn)到位置4，
此時(shí)動(dòng)傳感器的輸出脈沖波形如圖3的H所示，通過(guò)計(jì)數(shù)兩脈沖下降沿間
的高頻脈沖數(shù)為^ (如圖I所示)。此時(shí)新的角位移所代表的脈沖 數(shù)iV,A^-i^。則被測(cè)物移動(dòng)的角位移《
。 (5)
則物體運(yùn)動(dòng)的直線位移為
3 一 57"(180-《H -《)1 2
可以采用上述方法得到線位移測(cè)量通用公式
丄_ 丄G，c+0 丄 —S/"(180-^-0-。 e
式中，丄一被測(cè)線位移；電機(jī)軸心到靜傳感器間距離；^一 動(dòng)靜傳感器間初始時(shí)刻相位差；^一直線軌道與靜動(dòng)傳感器連線的夾 角；6—?jiǎng)觽鞲衅髦本€移動(dòng)后產(chǎn)生的相位角；丄2—初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器 間的距離；iV,—本時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)；iVc—初始時(shí)刻靜動(dòng) 傳感器間高頻脈沖數(shù)；iV—360度范圍高頻脈沖數(shù)。
在這里要說(shuō)明的是，"初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"不是一 個(gè)固定的數(shù)。如把初始時(shí)刻定義在4則^為"初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高 頻脈沖數(shù)"；如把初時(shí)刻定義在4，則仏為"初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"。這要視測(cè)量需要而定，可以在接口電路程序中通過(guò)軟件實(shí) 現(xiàn)不同的功能。
在這里使用的是動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，也就是同步電機(jī)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，控制器 不斷記錄靜動(dòng)傳感器間的高頻脈沖數(shù)，不斷根據(jù)公式更新計(jì)算結(jié)果并顯 示。通過(guò)顯示，可以看到被測(cè)物移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
測(cè)量結(jié)果的精度和分辨率取決于高頻脈沖的頻率和同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 的勻速程度，只要高頻脈沖的頻率足夠高，同步電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，理論上 可以得到很高的測(cè)量精度和測(cè)量分辨率。
在此我們也可以看出，靜傳感器2的作用冗余，僅需一個(gè)靜傳感器 和一個(gè)動(dòng)傳感器就可以完成線位移檢測(cè)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，依然采用兩個(gè) 靜傳感器，可以方便用戶采用不同的檢測(cè)方式完成更多功能。
且直線軌道與光柵圓盤的位置不會(huì)影響到測(cè)量，只要直線軌道不經(jīng)
過(guò)圓心且在圓盤范圍內(nèi)，都可以進(jìn)行檢測(cè)。如圖4所示，直線軌道在任 意位置、采用單反射式紅外傳感器檢測(cè)，公式7、 8同樣適用。 2 .被測(cè)物體移動(dòng)方向與同步轉(zhuǎn)向相反
當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)方向與同步轉(zhuǎn)向相反時(shí)，如圖5所示。動(dòng)傳感器初始 位置在A處，透光刻線經(jīng)過(guò)靜傳感器再經(jīng)過(guò)動(dòng)傳感器后，會(huì)輸出兩個(gè)脈 沖，如圖6中的A、 B所示。兩脈沖的相位差即為兩傳感器初始相位差 0 =《+《+《。此時(shí)在靜傳感器脈沖下降沿啟動(dòng)高頻脈沖計(jì)數(shù)，在動(dòng)傳感 器下降沿停止計(jì)數(shù)(如圖6中的脈沖C所示)，則計(jì)得的高頻脈沖個(gè)數(shù)A^ 與e成正比。設(shè)計(jì)靜動(dòng)傳感器間初始距離Z = ^ +丄2 + ￡3 。
當(dāng)被測(cè)物產(chǎn)生了線位移，則帶動(dòng)動(dòng)傳感器同步運(yùn)動(dòng)，設(shè)從位置Z。轉(zhuǎn)到位置4，此時(shí)靜傳感器輸出脈沖不變，動(dòng)傳感器輸出脈沖如圖6中的 D所示。此時(shí)，我們?cè)趦擅}沖間填充高頻脈沖如圖E所示，計(jì)得高頻脈沖 個(gè)數(shù)i^與(《+《)成正比。
通過(guò)減法運(yùn)算可以得到^-^-A^如圖C所示。A^與角位移《成 正比。并且可以得到同步電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)360。所計(jì)得的高頻脈沖數(shù)A^。則計(jì)算 公式如下
<formula>formula see original document page 9</formula>
同理，當(dāng)被測(cè)物以4作為起始位置，從位置4轉(zhuǎn)到位置4，此時(shí)靜 傳感器和動(dòng)傳感器的輸出脈沖波形如圖D、 F所示，通過(guò)計(jì)數(shù)兩脈沖下降 沿間的高頻脈沖數(shù)為乂 (如圖G所示)?？傻?br> <formula>formula see original document page 9</formula>可以采用上述方法得到線位移測(cè)量通用公式
<formula>formula see original document page 10</formula> (19)
丄一被測(cè)線位移；^一電機(jī)軸心到靜傳感器間距離；^一直線軌道 與靜動(dòng)傳感器連線的夾角；Z。一初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間的距離；A^ — 本時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)；義一初始時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈 沖數(shù)；iV—360度范圍高頻脈沖數(shù)；動(dòng)傳感器直線移動(dòng)后動(dòng)靜傳感 器間相位差。
3.被測(cè)物體移動(dòng)方向未知或不定
同步轉(zhuǎn)向由傳感器中同步電機(jī)(或步進(jìn)電機(jī))提供，方向固定不變 (假設(shè)固定為順時(shí)針?lè)较?。而被測(cè)物體移動(dòng)方向很多情況下是未知或 不定的。
在此情況下首先要判別被物移動(dòng)方向。判別方法很簡(jiǎn)單當(dāng)光柵刻
線第N-1次經(jīng)過(guò)靜、動(dòng)傳感器后得到了它們之間的高頻脈沖數(shù)，在接口
電路軟件中用寄存器記錄為"上一次靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"。然后
將光柵刻線第N次經(jīng)過(guò)靜、動(dòng)傳感器后得到的高頻脈沖數(shù)記錄為"本時(shí) 刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"。用"本時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)" 減去"上一次靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"，如果為正就說(shuō)明被測(cè)物移動(dòng) 方向與同步轉(zhuǎn)向相同，此時(shí)采用7、 8式計(jì)算角位移。如果為負(fù)說(shuō)明相反， 此時(shí)采用18、 19式來(lái)計(jì)算角位移。當(dāng)光柵刻線第N+1次經(jīng)過(guò)靜動(dòng)傳感器 時(shí)，將第N次的"本時(shí)刻靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"作為第N+1次的"上一次靜動(dòng)傳感器間高頻脈沖數(shù)"進(jìn)行計(jì)算和判別。當(dāng)計(jì)算角位移時(shí)，沒(méi)
有必要如此繁瑣，只需始終使用公式7、 8或18、 19，結(jié)果取絕對(duì)值即可。
4.傳感器性能及優(yōu)缺點(diǎn)分析
4.1傳感器精密度、準(zhǔn)確度及分辨率分析
對(duì)于線位移傳感器來(lái)說(shuō)，測(cè)量精密度、準(zhǔn)確度和分辨率是最重要的 技術(shù)指標(biāo)。測(cè)量精密度是指相同條件下，對(duì)被測(cè)量進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量， 測(cè)得值之間的一致(符合)程度。從測(cè)量誤差的角度來(lái)說(shuō)，精密度所反映 的是測(cè)得值的隨機(jī)誤差。在本系統(tǒng)中，測(cè)量精密度主要取決于同步轉(zhuǎn)速 的均勻程度。
測(cè)量精度(準(zhǔn)確度)是指被測(cè)量的測(cè)得值與其"真值"的接近程度。 從測(cè)量誤差的角度來(lái)說(shuō)，正確度所反映的是測(cè)得值的系統(tǒng)誤差。
此時(shí)我們來(lái)計(jì)算理論上系統(tǒng)可達(dá)到的分辨率和精度，假設(shè)傳感器中 同步電機(jī)(或步進(jìn)電機(jī))轉(zhuǎn)速為200r/min (3.3r/s)，則電機(jī)帶動(dòng)光柵刻
線轉(zhuǎn)動(dòng)360度所記得的高頻脈沖數(shù)為"3'3 6 a7575757個(gè)。則理論
1/(25 x106)
上最小可分辨的角度為^^x360。 = 0.000048°，該角度所對(duì)應(yīng)的線位移 也是非常小的，因此測(cè)量分辨率和精度都很高。而且電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，系 統(tǒng)分辨率越高，精度也越高。但電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度越小，系統(tǒng)響應(yīng)越慢。為 了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)使電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)可以通過(guò)增加高頻脈沖 頻率來(lái)提高系統(tǒng)精度和分辨率。 4.2新型直線位移傳感器系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析 該新型直線位移傳感器優(yōu)點(diǎn)如下-(1) 測(cè)量范圍大，只需要保證物體移動(dòng)范圍在以光柵刻線為半徑的圓內(nèi) 即可，增大光柵刻線長(zhǎng)度可增大量程。
(2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低。
(3) 測(cè)量精度和分辨率高。
(4) 測(cè)量前無(wú)須調(diào)零。
(5) 不需另加判向電路，通過(guò)軟件直接判向。 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)也存在缺點(diǎn)及改進(jìn)方法
a)存在一定系統(tǒng)誤差
主要為電氣誤差和同步轉(zhuǎn)速誤差。電氣誤差由兩部分組成，系統(tǒng)中 采用單片機(jī)作為控制器，單片機(jī)收到動(dòng)傳感器信號(hào)后進(jìn)入中斷并發(fā)出鎖 存信號(hào)讀數(shù)需要一定時(shí)間，此時(shí)間會(huì)造成所讀的高頻脈沖數(shù)多于實(shí)際的
脈沖數(shù)，形成測(cè)量系統(tǒng)誤差，可以通過(guò)改進(jìn)控制器(如選用CPLD、FPGA 或DSP等作為控制器來(lái)減少誤差)。此外，采用單片機(jī)進(jìn)行正弦計(jì)算時(shí)， 存在一定誤差，可通過(guò)改進(jìn)算法及采用高端控制器來(lái)減小誤差。同步轉(zhuǎn) 速誤差主要由于同步轉(zhuǎn)速的不均勻會(huì)引起高頻脈沖計(jì)數(shù)誤差，可以通過(guò) 選用轉(zhuǎn)速均勻度高的電機(jī)來(lái)減小誤差。
(2) 響應(yīng)速度慢
當(dāng)被測(cè)物產(chǎn)生位移后，傳感器并不能立即響應(yīng)，而是要等到光刪刻 線轉(zhuǎn)動(dòng)到新位移處時(shí)才能響應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)提高同步轉(zhuǎn)速來(lái)提高響應(yīng)速 度。
(3) 不適于測(cè)量高速物體位移。
權(quán)利要求1、一種高精度數(shù)字式直線位移傳感器，其特征是包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光柵盤，光柵盤上設(shè)有一條透光刻線，光柵盤上方設(shè)置直線軌道，直線軌道兩端分別固裝一個(gè)反射式紅外光電傳感器，另有一個(gè)反射式紅外傳感器與直線軌道上的移動(dòng)物體連接，光柵盤面向反射式紅外傳感器的一面為光亮面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種高精度數(shù)字式直線位移傳感器，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光柵盤，光柵盤上設(shè)有一條透光刻線，光柵盤上方設(shè)置直線軌道，直線軌道兩端分別固裝一個(gè)反射式紅外光電傳感器，另有一個(gè)反射式紅外傳感器與直線軌道上的移動(dòng)物體連接，光柵盤面向反射式紅外傳感器的一面為光亮面。本實(shí)用新型具有測(cè)量范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低、測(cè)量精度和分辨率高、無(wú)須調(diào)零、通過(guò)軟件直接判向等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/36GK201289367SQ20082018558
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者浩 馮, 亮 華, 曉 吳, 吳小新, 智 李, 顧菊平 申請(qǐng)人:南通大學(xué)