本發(fā)明涉及測(cè)量一個(gè)或更多個(gè)變量，涉及非專(zhuān)用于特定變量的測(cè)量，尤指一種基于光電開(kāi)關(guān)的位置感知器。

背景技術(shù)：

飛行、航?；蚬こ虘?yīng)用中，需要精確感知物體離參考點(diǎn)的位置、以及水平和垂直面偏移角度，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義?，F(xiàn)有技術(shù)方法中用陀螺儀感知物體偏轉(zhuǎn)角度，可分為電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀和激光陀螺儀。低精度機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中等精度光纖陀螺儀存在零飄、角隨機(jī)游走(隨時(shí)間累計(jì)誤差)、輸出延遲等問(wèn)題，受溫度影響大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。高精度靜電陀螺儀成本高昂，應(yīng)用不廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造相對(duì)容易的基于光電開(kāi)關(guān)的位置感知器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于光電開(kāi)關(guān)的位置感知器，包括殼體，其特征在于：殼體內(nèi)安裝有MPU控制器以及與該MPU控制器連接的整機(jī)人機(jī)接口和相互垂直的三軸位置感知裝置，所述三軸位置感知裝置包括依序安裝的X正半軸加速度計(jì)、X軸角度感知器、X負(fù)半軸加速度計(jì)；依序安裝的Y正半軸加速度計(jì)、Y軸角度感知器、Y負(fù)半軸加速度計(jì)和依序安裝的Z正半軸加速度計(jì)、Z軸角度感知器、Z負(fù)半軸加速度計(jì)。

所述角度感知器均分別包括第一刻度盤(pán)、第二刻度盤(pán)、無(wú)阻尼指針、有阻尼指針、指針支承軸、支架和底座，所述支架安裝于底座上，指針支承軸、第一刻度盤(pán)和第二刻度盤(pán)安裝于支架上，有阻尼指針和無(wú)阻尼指針可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸上。

所述的第一刻度盤(pán)和第二刻度盤(pán)分別包括盤(pán)體、光電開(kāi)關(guān)和盤(pán)座，盤(pán)體安裝于盤(pán)座上，其周邊上均布有若干光電開(kāi)關(guān)。

所述盤(pán)體可以是平面狀圓盤(pán)體，亦可以是半圓柱狀盤(pán)體。

所述的有阻尼指針包括針體，在該針體上安裝有軸承，通過(guò)該軸承將針體可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸上，在所述針體上還安裝有指針控制芯片/電池和與該指針控制芯片/電池連接的電磁頭、第一無(wú)線接口、軸承和激光頭，所述第一無(wú)線接口與指針支承軸上的第二無(wú)線接口相配，完成有阻尼指針與殼體內(nèi)安裝的MPU控制器電能和數(shù)據(jù)通信。

所述指針支承軸是空心軸，在其軸孔中串有導(dǎo)線，導(dǎo)線通電后產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，用于校正無(wú)阻尼指針的位置。

所述無(wú)阻尼指針結(jié)構(gòu)與有阻尼指針相同。

激光頭的焦點(diǎn)落在刻度盤(pán)上的光電開(kāi)關(guān)上，可使該光電開(kāi)關(guān)閉合。

X軸、Y軸角度感知器中指針正方向?yàn)榇怪毕蛳拢琙軸角度感知器中指針正方向?yàn)楸睒O磁場(chǎng)方向。

所述角感知器中，第一刻度盤(pán)和第二刻度盤(pán)的盤(pán)體可以是半圓柱狀盤(pán)體。

所述加速度計(jì)均分別包括加速度計(jì)座，其內(nèi)安裝有刻度尺、永磁體質(zhì)量塊、彈簧、第二電磁體、加速度計(jì)控制芯片/電池、第二人機(jī)接口(屏幕、外部電源數(shù)據(jù)口、開(kāi)機(jī)鍵)、導(dǎo)軌和平衡位置限位器,永磁體質(zhì)量塊上安裝有激光頭，其可移動(dòng)地裝于導(dǎo)軌上其一端與彈簧連接，另一端受平衡位置限位器限位，所述加速度計(jì)控制芯片/電池與第二電磁體、激光頭以及第二人機(jī)接口電連接。

進(jìn)一步地，所述加速度計(jì)第三無(wú)線接口和與之相配的第四無(wú)線接口，所述第三無(wú)線接口安裝于加速度計(jì)座上與控制芯片/電池電連接；所述第四無(wú)線接口與永磁體質(zhì)量塊固接。

本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造相對(duì)容易。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1是本發(fā)明的架構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例角度感知器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的刻度盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的有阻尼指針結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的指針支承軸相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明第一實(shí)施例半軸加速度計(jì)架構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例角度感知器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明第二實(shí)施半軸加速度計(jì)架構(gòu)示意圖。

圖1中：1.1為X正半軸加速度計(jì)、1.2為X軸角度感知器、1.3為X負(fù)半軸加速度計(jì)、2.1為Y正半軸加速度計(jì)、2.2為Y軸角度感知器、2.3為Y負(fù)半軸加速度計(jì)、3.1為Z正半軸加速度計(jì)、3.2為Z軸角度感知器、3.3為Z負(fù)半軸加速度計(jì)、4為MPU控制器、5為整機(jī)人機(jī)接口、6為殼體。

在圖2(角度感知器)中：1.2.1為第一刻度盤(pán)、1.2.2為無(wú)阻尼指針、1.2.3為指針支承軸、1.2.4為支架、1.2.5為底座、1.2.6為有阻尼指針、1.2.7為第二刻度盤(pán)。

在圖3(刻度盤(pán))中：1.2.1.1為光電開(kāi)關(guān)、1.2.1.2為平面狀圓盤(pán)體、1.2.1.3為盤(pán)座。

在圖4(有阻尼指針)中：1.2.2.0為針體、1.2.2.1為電磁頭、1.2.2.2為指針控制芯片/電池、1.2.2.3為第一無(wú)線接口、1.2.2.4為軸承、1.2.2.5為激光頭。

在圖5中：1.2.3.2為第二無(wú)線接口、1.2.3.3為導(dǎo)線。

在圖6(半軸加速度計(jì))中：1.1.1為刻度尺、1.1.2為永磁體質(zhì)量塊、1.1.3為彈簧、1.1.4為第二電磁體、1.1.5為加速度計(jì)座，1.1.5.1為加速度計(jì)控制芯片/電池、1.1.5.3為第二人機(jī)接口、1.1.5.4為導(dǎo)軌、1.1.5.5為平衡位置限位器,在永磁體質(zhì)量塊1.1.2中：1.1.2.2為激光頭。

在圖8中，1.1.5.2為第三無(wú)線接口、1.1.2.1為第四無(wú)線接口。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種基于光電開(kāi)關(guān)的位置感知器，包括殼體6，其特征在于：殼體6內(nèi)安裝有MPU控制器4以及與該MPU控制器連接的整機(jī)人機(jī)接口5和相互垂直的三軸位置感知裝置，所述三軸位置感知裝置包括依序安裝的X正半軸加速度計(jì)1.1、X軸角度感知器1.2、X負(fù)半軸加速度計(jì)1.3；依序安裝的Y正半軸加速度計(jì)2.1、Y軸角度感知器2.2、Y負(fù)半軸加速度計(jì)2.3；依序安裝的Z正半軸加速度計(jì)3.1、Z軸角度感知器3.2、Z負(fù)半軸加速度計(jì)3.3。

參見(jiàn)圖2，所述角度感知器1.2、2.2、3.2均分別包括第一刻度盤(pán)1.2.1、第二刻度盤(pán)1.2.7、無(wú)阻尼指針1.2.1、有阻尼指針1.2.6、指針支承軸1.2.3、支架1.2.4和底座1.2.5，所述支架1.2.4安裝于底座1.2.5上，指針支承軸1.2.3、第一刻度盤(pán)1.2.1和第二刻度盤(pán)1.2.7安裝于支架1.2.4上，有阻尼指針1.2.1和無(wú)阻尼指針1.2.6可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸1.2.3上。

參見(jiàn)圖3，所述的第一刻度盤(pán)1.2.1和第二刻度盤(pán)1.2.7分別包括盤(pán)體1.2.1.2、光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1和盤(pán)座1.2.1.3，平面狀圓盤(pán)體1.2.1.2安裝于盤(pán)座1.2.1.3上，其周邊上均布有若干光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1。

在本發(fā)明第一實(shí)施例中，參見(jiàn)圖3，所述盤(pán)體1.2.1.2是平面狀圓盤(pán)體。

在在本發(fā)明第二實(shí)施例中，參見(jiàn)圖7，所述盤(pán)體1.2.1.2是球面狀體。

參見(jiàn)圖4，所述的有阻尼指針1.2.2包括針體1.2.2.0，在該針體上安裝有軸承1.2.2.4，通過(guò)該軸承將針體可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸1.2.3上，在所述針體上還安裝有指針控制芯片/電池1.2.2.2和與該指針控制芯片/電池連接的電磁頭1.2.2.1、第一無(wú)線接口1.2.2.3、軸承1.2.2.4和激光頭1.2.2.5，所述第一無(wú)線接口1.2.2.3與指針支承軸1.2.3上的第二無(wú)線接口1.2.3.2相配，完成有阻尼指針與殼體6內(nèi)安裝的MPU控制器4電能和數(shù)據(jù)通信。

參見(jiàn)圖5，所述指針支承軸1.2.3是空心軸，在其軸孔中串有導(dǎo)線1.2.3.3，導(dǎo)線通電后產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，用于校正無(wú)阻尼指針的位置。

激光頭1.2.2.5的焦點(diǎn)落在刻度盤(pán)1.2.1上的光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1上，可使該光電開(kāi)關(guān)閉合。

X軸、Y軸角度感知器中指針正方向?yàn)榇怪毕蛳拢琙軸角度感知器中指針正方向?yàn)楸睒O磁場(chǎng)方向。

所述無(wú)阻尼指針1.2.1結(jié)構(gòu)與有阻尼指針1.2.2相同。

角度感知器工作過(guò)程如下：

(1)啟動(dòng)：接到MPU控制器4的指令后，角度感知器開(kāi)始進(jìn)入測(cè)量，如果滿足校正條件先進(jìn)行校正再進(jìn)行測(cè)量。

(2)測(cè)量：指針控制芯片/電池1.2.2.2、第二無(wú)線接口1.2.3.2、第一無(wú)線接口1.2.2.3，指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)激光頭1.2.2.5工作，光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1中接受到激光照射的光電開(kāi)關(guān)閉合并將閉合光開(kāi)關(guān)編號(hào)通過(guò)盤(pán)座1.2.1.3接口傳至指針控制芯片/電池1.2.2.2，指針控制芯片/電池1.2.2.2將編號(hào)處理后轉(zhuǎn)成偏轉(zhuǎn)角度輸出至MPU控制器4。

測(cè)量過(guò)程中，無(wú)阻尼指針1.2.2始終豎直向下，第一刻度盤(pán)1.2.1、指針支承軸1.2.3、支架1.2.4、盤(pán)座1.2.5隨被測(cè)物發(fā)生相同的偏轉(zhuǎn)角度。

(3)校正：出廠時(shí)或儀器靜止(偏轉(zhuǎn)角度不變)，可以先進(jìn)行校正操作。有阻尼指針1.2.6豎直向下，指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)有阻尼指針1.2.6的激光頭工作并讀取第二刻度盤(pán)1.2.7中閉合的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)并計(jì)算輸出偏轉(zhuǎn)角，與從第一刻度盤(pán)1.2.1中閉合的光開(kāi)關(guān)編號(hào)并計(jì)算輸出偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，如果相同則校正結(jié)束。

指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)由導(dǎo)線1.2.3.3形成的環(huán)形磁場(chǎng)建立無(wú)阻尼指針、盤(pán)面環(huán)形磁場(chǎng)，并通過(guò)第二無(wú)線接口1.2.3.2、第一無(wú)線接口1.2.2.3、指針控制芯片/電池1.2.2.2控制電磁頭1.2.1.1產(chǎn)生磁場(chǎng)大小和方向，無(wú)阻尼指針1.2.2受到環(huán)形磁力矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)直至與有阻尼指針1.2.6位置一致。

(4)說(shuō)明：在有阻尼指針1.2.6中配置電磁頭能加快有阻尼指針靜止；而對(duì)于測(cè)量地球北極磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角(刻度盤(pán)平面放置)時(shí)無(wú)阻尼指針1.2.2的電磁頭產(chǎn)生磁場(chǎng)方向沿?zé)o阻尼指針1.2.2方向，有阻尼指針1.2.6中必須配置電磁頭且其產(chǎn)生磁場(chǎng)方向與有阻尼指針1.2.6同向，沒(méi)有環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生。

參見(jiàn)圖6，所述加速度計(jì)1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均分別包括加速度計(jì)座1.1.5，其內(nèi)安裝有刻度尺1.1.1、永磁體質(zhì)量塊1.1.2、彈簧1.1.3、第二電磁體1.1.4、加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1、第二人機(jī)接口1.1.5.3(屏幕、外部電源數(shù)據(jù)口、開(kāi)機(jī)鍵)、導(dǎo)軌1.1.5.4和平衡位置限位器1.1.5.5,永磁體質(zhì)量塊1.1.2上安裝有激光頭1.1.2.2，其可移動(dòng)地裝于導(dǎo)軌1.1.5.4上其一端與彈簧1.1.3連接，另一端受平衡位置限位器1.1.5.5限位，所述加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1與第二電磁體1.1.4、激光頭1.1.2.2以及第二人機(jī)接口1.1.5.3電連接。

工作時(shí)：

正常狀態(tài)：加速度計(jì)座1.1.5與被測(cè)物安裝牢固，永磁體質(zhì)量塊1.1.2被第二電磁體1.1.4牢牢吸?。?/p>

釋放磁場(chǎng)：控制芯片/電池1.1.5.1向第二電磁體1.1.4發(fā)“斷開(kāi)磁場(chǎng)”命令，第二電磁體1.1.4產(chǎn)生磁場(chǎng)為零，永磁體質(zhì)量塊1.1.2開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)(不超過(guò)1mm)；

讀取刻度：永磁體質(zhì)量塊1.1.2運(yùn)動(dòng)中，刻度尺1.1.1接受激光頭1.1.2.2發(fā)出激光而閉合的光電開(kāi)關(guān)不同(圖6中為-2號(hào)光電開(kāi)關(guān)閉合)，且閉合光電開(kāi)關(guān)編號(hào)被控制芯片/電池1.1.5.1讀??；

計(jì)算數(shù)值：控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取光電開(kāi)關(guān)的編號(hào)和時(shí)刻，計(jì)算永磁體質(zhì)量塊1.1.2新的平衡位置Δx對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)Ni(見(jiàn)公式1-1至1-3)，計(jì)算加速度為KN_iΔL/m并將結(jié)果輸出至第二人機(jī)接口1.1.5.3，其中K為彈簧1.1.3彈性形變系數(shù)，ΔL為單個(gè)光開(kāi)關(guān)尺寸(50nm)，m為永磁體質(zhì)量塊1.1.2的質(zhì)量、Ni為刻度尺標(biāo)度。

其中k為彈簧1.1.3彈性形變常數(shù)，E為質(zhì)量塊具有的機(jī)械能(動(dòng)能和彈性勢(shì)能)總和，L為最大量程的一半，x、v為質(zhì)量塊任意一時(shí)刻偏離0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx為新的平衡位置，對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)Ni為為正說(shuō)明加速度向右，為負(fù)說(shuō)明加速度向左。

施加磁場(chǎng)：控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)永磁體質(zhì)量塊1.1.2和速度向第二電磁體1.1.4施加強(qiáng)電流迫使永磁體質(zhì)量塊1.1.2先加速向左后減速向左，最后將永磁體質(zhì)量塊1.1.2牢牢吸于平衡位置限位器1.1.5.5。

參見(jiàn)圖8，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，所述加速度計(jì)1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均還包括第三無(wú)線接口1.1.5.2和與之相配的第四無(wú)線接口1.1.2.1，所述第三無(wú)線接口1.1.5.2安裝于加速度計(jì)座1.1.5上與控制芯片/電池1.1.5.1電連接；所述第四無(wú)線接口1.1.2.1與永磁體質(zhì)量塊1.1.2固接。

工作過(guò)程如下：

(1)測(cè)量：一次采樣過(guò)程如下

①釋放磁場(chǎng)：加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1關(guān)閉第二電磁體1.1.4電流，截?cái)嗥浯艌?chǎng)，永磁體質(zhì)量塊1.1.2向右移動(dòng)一段微小距離(速度變小或停止的位移，一般不超過(guò)0.5mm)；

②讀取刻度：加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1通過(guò)第三無(wú)線接口1.1.5.2與第四無(wú)線接口1.1.2.1點(diǎn)亮激光頭1.1.2.2，并讀取和記錄永磁體質(zhì)量塊1.1.2移動(dòng)時(shí)光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1中受激光照射閉合光電開(kāi)關(guān)的編號(hào)和時(shí)刻；

③求取加速度：加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取的光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1編號(hào)和時(shí)刻，求取永磁體質(zhì)量塊1.1.2新的平衡位置Δx對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)Ni，則測(cè)出的加速度為KN_iΔL/m并將結(jié)果輸出至第二人機(jī)接口1.1.5.3，其中K為彈簧1.1.3彈性形變系數(shù)，ΔL為單個(gè)光開(kāi)關(guān)尺寸(50nm)，m為永磁體質(zhì)量塊1.1.2的質(zhì)量、Ni為刻度尺標(biāo)度。

其中k為彈簧1.1.3彈性形變常數(shù)，E為質(zhì)量塊具有的機(jī)械能(動(dòng)能和彈性勢(shì)能)總和，L為最大量程的一半，x、v為質(zhì)量塊任意一時(shí)刻偏離0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx為新的平衡位置，對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)Ni為

④施加磁場(chǎng)：加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取的刻度求出永磁體質(zhì)量塊1.1.2位置和速度，向第二電磁體1.1.4施加強(qiáng)電流迫使永磁體質(zhì)量塊1.1.2先加速向左后減速向左，在平衡位置處速度為零，最后加強(qiáng)磁場(chǎng)將永磁體質(zhì)量塊1.1.2牢牢固定于平衡位置限位器處1.1.5.5。

(2)校正：出廠時(shí)或儀器靜止(加速度不變)，可以通過(guò)第二人機(jī)接口1.1.5.3向加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1發(fā)校正命令。此時(shí)測(cè)量出平衡位置對(duì)應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)編號(hào)并整體修正刻度尺編號(hào)(整體-)。

(3)說(shuō)明：本方案中激光頭1.1.2.2和光電開(kāi)關(guān)1.2.1.1刻度尺位置可互換，永磁體1.1.2.3和第二電磁體1.1.4位置可互換，彈簧1.1.3提供的彈力可用電磁力、電場(chǎng)力代替。

將三個(gè)單軸加速度計(jì)(或六個(gè)半軸加速度計(jì))和三個(gè)單軸角度感知器按本發(fā)明的布置可做成三軸位置傳感器，進(jìn)行全方位空間位置感知。