CN100575866C - 拉线式光电二维位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量物体平面移动位置的拉线式光电二维位移传感器，它运用极坐标法，由光电线位移传感装置和光电角位移传感装置组装而成，包括拉线、拉线嘴、疏丝器、拉线盘、盘簧、棘轮、齿轮组、切换轮、光电断续器、光电线位移微动开关、光电角位移微动开关、步进微电机、制动器、底盘架、机壳和底座。采用光电断续器为传感信号源，具有精度高、量程大及数字信号输出的特点，满足了土木建筑、机械加工、设备安装、自动控制、国防科技和科学实验等领域应用的需求。

Description

拉线式光电二维位移传感器

技术领域

本发明及一种测量物体平面移动位置的位移传感器，具体的说是一种拉线式光电二维位移传感器。

技术背景

目前，现有机械式、电阻式、电容式、电感式和光电式等位移传感器只能测量物体一维方向的位移。如果要测量物体平面移动的二维方向的位移，须用两只一维位移传感器相互垂直等布置才能测量。不但传感器的安装要求高和占用空间大，而且在高精度及大量程位移测量时非常不便。

发明内容

针对现有位移传感器的不足，本发明提出把改进的测量一维位移的拉线式光电线位移传感器组装在光电角位移传感器装置上，成为一种拉线式光电二维位移传感器。它采用光电断续器为传感信号源；COMS数字集成元件为识别、齿轮间隙误差修正、控制、可逆计数、数码显示及数字信号输出等的电路；疏丝器按序平顺地把拉线钢丝多圈缠绕在拉线盘上而不重叠；光电线位移微动开关和光电角位移微动开关提供驱动各自步进微电机的信号；步进微电机消除齿轮组传动的拖滞；制动器控制线位移传感装置的转动；发光二极管显示实时位移的状态，数码管显示传感器的编号。

本发明的技术方案

一种拉线式光电二维位移传感器，由第一部分光电线位移传感器装置、第二部分光电角位移传感装置、以及底盘架、机壳和底座组成。第一部分的光电线位移传感装置包括拉线钢丝、拉线嘴、疏丝器、拉线盘、盘簧、棘轮、齿轮组、切换轮、槽型光电断续器、光电线位移微动开关、步进微电机、机架和制动器，第二部分的光电角位移传感装置包括齿轮组、切换轮、槽型光电断续器、光电角位移微动开关、步进微电机和机架，以及位移状态显示器、传感器编号显示器、底盘架、机壳和底座。其特征在于：拉线从第一部分的光电线位移传感装置机架的拉线嘴嘴孔中拉出或回缩；第一部分光电线位移传感装置和第二部分光电角位移传感装置的主轴共轴线，第一部分的整个光电线位移传感装置能围绕该主轴线转动；第二部分的光电角位移传感装置和机壳固定于底盘架；底盘架置于底座，能围绕底座中心线转动，该中心线与主轴线相垂直。机壳上安装有显示位移状态的发光二极管和显示传感器编号的数码管。

所述拉线式光电二维位移传感器第一部分的光电线位移传感装置，其特征在于：所述的光电线位移传感装置的机架上置有拉线嘴，拉线钢丝经拉线嘴内的光电角位移微动开关、光电线位移微动开关和疏丝器引至拉线盘，缠绕有拉线钢丝的拉线盘、盘簧及主动齿轮共轴放置在机架内，主轴两端活动置于机架相对的壁上；齿轮组由五个从动齿轮分别由大至小相互啮合，与主动齿轮相啮合的棘轮为齿轮组的最大从动齿轮，由n个夹角为α的不透光黑色叶片构成的切换轮为最小从动齿轮，切换轮与步进微电机共轴，步进微电机固定于机架；两个槽型光电断续器的发射极和接受极分别置于切换轮的两侧，发射极与接收极之间的光线垂直于切换轮面，两个槽型光电断续器相互夹角为0.75α；机架的一端架壁由光电线位移传感装置主轴穿过并活动置于底盘架，另一端架壁上的中轴套与第二部分光电角位移传感装置的主轴相联，整个光电线位移传感装置能围绕主轴线转动180°。

所述拉线式光电二维位移传感器第一部分的线位移传感装置，其特征在于：所述的拉线为直径0.3毫米的不锈钢丝；所述的疏丝器置于拉线嘴内，疏丝器的外侧齿轮与拉线盘的齿啮合，拉线盘每转动一周，疏丝器转动一齿，疏丝器的疏丝纹杆将拉线钢丝平移一个钢丝直径的位置，其内侧齿轮靠在拉线盘边缘滑行，阻止疏丝器随意转动；所述的拉线盘直径约50毫米，拉线盘对应的机架上置有拉线嘴。

所述拉线式光电二维位移传感器第一部分的光电线位移传感装置，其特征在于：所述的光电线位移微动开关包括杠杆摆和一个槽型光电断续器，杠杆摆一端由拉线钢丝摩阻滑行传动，另一端不透光的叶片在槽型光电断续器槽口内切换光线。

所述拉线式光电二维位移传感器第一部分的光电线位移传感装置，其特征在于：所述的制动器的制动圆鼓置于机架壁，制动圆鼓中心轴孔兼作联接第二部分光电角位移传感装置主轴的中轴套，制动连杆置于底盘架，制动连杆上的一对制动闸位于制动圆鼓的两侧，手动操作杆制动。

所述拉线式光电二维位移传感器第二部分的光电角位移传感装置，其特征在于：所述的齿轮组的五个从动齿轮分别由大至小相互啮合放置在机架内，由m个夹角为β的不透光黑色叶片构成的切换轮为最小从动齿轮，切换轮与步进微电机共轴，步进微电机固定于机架；两个槽型光电断续器的发射极与接受极分别置于切换轮面的两侧，发射极与接受极之间的光线垂直于切换轮面，两个槽型光电断续器相互夹角为0.75β；主轴两端活动置于机架相对的壁上，其一端穿过底盘架中间架板与第一部分光电线位移传感装置机架的中轴套相联；机架固定于底盘架。

所述拉线式光电二维位移传感器第二部分的光电角位移传感装置，其特征在于：所述的光电角位移微动开关包括一个发光二极管和两个并行放置的光电管接受极。发光二极管位于两个光电管接受极的中心线上，拉线钢丝靠近发光二极管的遮光板横向摆动切换光线。

所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：所述的底盘架支承第一部分光电线位移传感装置转动，固定第二部分光电角位移传感装置及机壳。底盘架置于底座，能围绕底座中心转动270°。

所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：所述的步进微电机由脉冲电源驱动，光电线位移微动开关和光电角位移微动开关控制，与切换轮共轴，并分别固定于第一部分光电线位移传感装置和第二部分光电角位移传感装置的机架。

本发明的原理

拉线式光电二维位移传感器是由第一部分光电线位移传感装置和第二部分光电角位移传感装置组装而成，即运用极坐标法来测量物体在平面上的位移。具体的是由直径为0.3毫米的不锈钢丝为拉线，拉线的一端挂在被测物体上，另一端经拉线嘴盘在拉线盘上。当被测物体产生线位移拉动拉线钢丝时，拉线盘将作相应正反方向旋转。拉线盘转动一周，由齿轮组变速将切换轮转动万转以上，这样测出的线位移量被放大，提高了测量的精度。为了让拉线钢丝绷紧使位移传动不失真，与拉线盘同轴设置有一定刚度的盘簧。为了防止拉线拉动过猛损坏齿轮组，采用棘轮自动打滑装置来保护。为了避免多圈缠绕在拉线盘上钢丝的重叠引起测量误差，采用疏丝器按序平顺钢丝的缠绕。为了消除齿轮组传动的拖滞影响测量分辨率，采用光电线位移微动开关控制步进微电机，驱动切换轮作限时定向转动。切换轮叶片为黑色不透明，用以切换两个槽型光电断续器的光线。当切换轮叶片转到光电断续器槽内，遮住了光线，接受极的光敏三极管则处于截止状态；当切换轮叶片转出槽外，则光线被光敏三极管接收并使其导通。将两个槽型光电断续器安装在切换轮的相应位置，这样就可把正反向转动的机械信号转换成可逆的数字信号，该数字信号经位移处理器处理后，显示出线位移的数据和方向；当被测物体产生角位移时，拉线钢丝牵着第一部分的光电线位移传感装置转动，通过其机架上中轴套的传递，将第二部分光电角位移传感装置的主轴作相应转动，经齿轮组变速和切换轮切换两个槽型光电断续器光线，放大了被测的角位移量，提高了角位移的测量精度。为了消除齿轮组传动拖滞及齿轮组间隙误差，提高测量角位移的分辨率，在拉线嘴内的前端装有光电角位移微动开关，横向摆动的拉线钢丝遮住了两个光电管接受极其中一个的光线，相应的输出步进微电机转动及转动方向的信号，步进微电机带着切换轮作限时定向转动，转动至拉线钢丝位于光电角位移微动开关的两个光电管接受极中间位置时自动停止，即时测出被测物体的角位移量。关于第二部分光电角位移传动装置的齿轮组、切换轮和光电断续器的工作原理同第一部分的光电线位移传感装置。

本发明的效果

本发明的拉线式光电二维位移传感器的精度和分辨率高、量程大、线性度和稳定性好、环境要求低、体积小、重量轻和易安装，能测量物体平面移动的二维方向的位移。适用于土木建筑、机械加工、设备安装、国防科技和科学实验等领域，与计算机联接，能大大提高自动控制的能力。

附图说明

图1本发明的内部局部结构剖视示意图。

图2本发明的俯视结构示意图。

图3本发明内部的拉线嘴侧视结构示意图。

图4本发明内部的光电线位移传感装置侧视结构示意图。

图5本发明内部的光电线位移传感装置制动部分侧视结构示意图。

图6本发明内部的光电角位移传感装置侧视结构示意图。

图7本发明的疏丝器的侧视图。

图8本发明的疏丝器的俯视图。

图9本发明的疏丝器的正视图。

具体实施方式

参见图1-9。一种拉线式光电二维位移传感器，包括第一部分光电线位移传感装置的拉线钢丝1、拉线嘴2、疏丝器3、拉线盘4、盘簧5、齿轮组7、主动齿轮8、切换轮9、槽型光电断续器10、步进微电机11、机架12、光电线位移微动开关13，第二部分光电角位移传感装置的齿轮组15、光电角位移微动开关19、主动齿轮21、切换轮22、槽型光电断续器33、步进微电机23、机架24，以及底盘架25、机壳26和底座27。拉线钢丝1从置在第一部分光电线位移传感装置机架12上的拉线嘴2嘴孔中拉出或缩回，拉线钢丝1经拉线嘴2盘在拉线盘4上，拉线盘4带动第一部分光电线位移传感装置主轴14上的主动齿轮8，主动齿轮8经齿轮组7变速带动切换轮9切割槽型光电断续器10的光线；第一部分光电线位移传感装置主轴14和第二部分光电角位移传感装置主轴20共轴线，第一部分光电线位移传感装置能围绕该主轴线转动180°；第二部分光电角位移传感装置机架24和机壳26固定于底盘架25，底盘架25置在底座27上，并能围绕底座27中心转动270°；拉线钢丝1经拉线嘴2内的光电角位移微动开关19、光电线位移微动开关13和疏丝器3引至拉线盘4，缠绕有拉线钢丝1的拉线盘4、盘簧5及主动齿轮8共轴放置在机架12内，第一部分光电线位移传感装置主轴14的两端活动置于机架12相对的壁上；齿轮组7由五个从动齿轮分别由大至小相互啮合放置在机架12内，与主动齿轮8啮合的棘轮6为齿轮组的最大从动齿轮，由n个夹角为α(α＝360°/n)的黑色不透光叶片构成的切换轮9为最小的从动齿轮，切换轮9与步进微电机11共轴，步进微电机11固定在机架12上；两个槽型光电断续器10相互夹角为0.75α，其发射极和接受极分别置于切换轮面9的两侧，与切换轮9叶片相切；机架12的一端架壁由主轴14穿过并活动置于底盘架25，另一端架壁上的中轴套35与第二部分光电角位移传感装置主轴20相联接，机架12能围绕该主轴线转动；第二部分光电角位移传感装置的齿轮组15置于机架24内，机架24固定在底盘架25上；主轴20两端活动置于机架24相对的壁上，其一端穿过底盘架25中间架板与第一部分光电线位移传感装置机架12的中轴套35联接；第二部分光电角位移传感装置齿轮组15的五个从动齿轮分别由大至小相互啮合放置在机架24内，由m个夹角为β(β＝360°/m)的黑色不透光叶片构成的切换轮22为最小的从动齿轮，切换轮22与步进微电机23共轴，步进微电机23固定在机架24上；两个槽型光电断续器33的发射极和接受极分别至于切换轮22轮面的两侧，两极之间光线垂直于切换轮22轮面，两个槽型光电断续器33相互夹角为0.75β。开机后，机壳上的数码管31显示传感器的编号和发光二极管32显示位移的状态。

拉线钢丝1的直径为0.3毫米，拉线盘4的直径约为50毫米，拉线盘4对应的第一部分光电线位移传感装置机架12上置有拉线嘴2；拉线钢丝1从拉线嘴2嘴孔内经光电角位移微动开关19、光电线位移微动开关13及疏丝器3，再缠绕在拉线盘4上；疏丝器3的外侧齿轮16与拉线盘4的齿17相啮合，拉线盘4每转动一周，带动疏丝器3转动一齿，即疏丝器3的疏丝纹杆18将拉线钢丝1平移一个钢丝直径的位置，其内侧齿轮36靠在拉线盘4边缘滑行，阻止疏丝器3随意转动；光电线位移微动开关13由杠杆摆和一个槽型光电断续器34组成，杠杆摆由拉线钢丝1摩阻滑行传动，另一端不透光的叶片在槽型光电断续器34槽口内切换光线；光电角位移微动开关19的两个光电管接受极并行放置，拉线钢丝1位于中间横向切换光线；第一部分光电线位移传感装置和第二部分角位移传感装置的步进微电机11和23均以脉冲电源驱动，与相应的切换轮9和22共轴，固定在各自机架12和24上；制动器的制动圆鼓30固定在第一部分光电线位移传感装置的机架12上，制动圆鼓30中心轴孔兼作联接第二部分光电角位移传感装置主轴20的中轴套35，固定在底盘架25上的一对制动闸28置在制动圆鼓30的两侧，手动操作杆29制动。

拉线钢丝1的作用是与被测物体上的挂环连接，为传感器传递被测物体平面移动的位移量。拉线嘴2的作用是拉线钢丝的进出口，并通过在内安置的光电角位移微动开关19、光电线位移微动开关13和疏丝器3，让拉线钢丝1缠绕至拉线盘4上。疏丝器3的作用是让多圈缠绕在拉线盘4上的拉线钢丝1按序平顺分布而不重叠。拉线盘4的作用是盘绕拉线钢丝1，转动光电线位移传感装置主轴14，拉线盘4直径是根据数据显示与实际线位移量一致确定的。盘簧5的作用是为了位移传动不失真，绷紧拉线钢丝1。齿轮组7和15的作用是由主轴14和20传动，经齿轮组7和15变速，将切换轮9和22转动万转以上，放大位移量提高测量精度。棘轮6的作用是当拉线钢丝1拉出过猛时自动打滑，保护齿轮组7不遭损坏。切换轮9和22的作用是切换槽型光电断续器10和33的光线，将机械信号转换为可逆的数字信号。步进微电机11和23的作用是消除齿轮组7和15传动的拖滞和齿轮间隙误差，提高测量分辨率。光线线位移微动开关13的作用是线位移敏感元件，由拉线钢丝摩阻滑行传动杠杆摆的不透光叶片在槽型光电断续器34槽口内切换光线，为驱动步进微电机11输出启动和转向的信号。光电角位移微动开关19的作用是角位移敏感元件，为驱动步进微电机23输出启动和转向的信号。第一部分光电线位移传感装置机架12的作用是固定拉线嘴2和步进微电机11，其内部安装齿轮组7、切换轮9及槽型光电断续器10，一端机架壁由主轴14穿过并活动置于底盘架25，另一端由机架壁上的中轴套35联接第二部分光电角位移传感装置的主轴20，能让整个光电线位移传感装置围绕主轴线转动180°。制动器的作用是传感器不使用或只测量线位移时，控制光电线位移传感装置的转动。第二部分光电角位移传感装置机架24的作用是固定步进微电机23，其内部安装齿轮组15，切换轮22及槽型光电断续器33，将整个角位移传感装置固定于底盘架25。底盘架25的作用是支承第一部分光电线位移传感装置，固定第二部分光电角位移传感装置和机壳26，置于底座27上，能围绕底座27的中心转动270°。底座27的作用是支承底盘架25，为便于二维位移测量，用定位螺栓调节底盘架25平面转动或制动，整个传感器栓接固定在相对不位移的物体上。拉线式光电二维位移传感器的具体使用

1、在被测物体上安装或粘贴挂环。

2、用螺栓把传感器的底座固定在相对不产生位移的物体上。

3、松开固定底盘架定位螺栓和光电线位移传感器装置制动器，轻轻转动拉线嘴和底盘架朝向被测物体，确认被测物体的平面位移在测量量程的范围内，然后拧紧底盘架定位螺栓。

4、手捏拉线钢丝的挂钩，匀速地从传感器拉线嘴孔口中拉出钢丝，挂在被测物体的挂环上。

5、把拉线式光电二维位移传感器与位移处理器联接，打开处理器电源开关，待处理器处于工作状态，传感器机壳上的数码管显示传感器的编号，线和角位移传感装置的步进微电机开始工作，将传感器自动调至最佳测量状态。

6、进行被测物体平面移动的二维位移测量，同时显示、贮存和输出测量数据。

7、测量结束后，关闭处理器电源，拆下传感器连线插座。

8、手捏拉线钢丝的挂钩，从被测物体的挂环上取下挂钩，匀速地让拉线钢丝回缩至传感器拉线嘴内。

9、把拉线嘴轻轻地转至水平状态，操作制动杆将线位移传感装置制动。10、松开固定螺栓，拆下传感器。

拉线式光电二维位移传感器地性能

1、量程：线位移0～2000毫米或-1000～1000毫米；角位移0～180°。

2、精度：线位移±0.03毫米，角位移±0.5°。

3、分辨率：线位移0.01毫米，角位移0.1°。

4、测量速度：Vmax＝10毫米/秒。

5、输出：数字信号

6、工作温度：-10℃～60℃。

7、连接方式：钢丝悬挂。

8、电源：±12伏(开关电源)。

9、尺寸：95×95×85毫米(长×宽×高)。

10、重量：约200克。

Claims (7)

1、一种拉线式光电二维位移传感器，由位移状态显示器、传感器编号显示器、底盘架、机壳、底座、第一部分的光电线位移传感装置和第二部分的光电角位移传感装置组成，第一部分的光电线位移传感装置包括拉线、拉线嘴、疏丝器、拉线盘、盘簧、棘轮、齿轮组、主动齿轮、槽型光电断续器、光电线位移微动开关、步进微电机、机架和制动器，所述拉线为钢丝，第二部分的光电角位移传感装置包括齿轮组、主动齿轮、槽型光电断续器、光电角位移微动开关、步进微电机和机架，所述两个齿轮组各包括一个切换轮，其特征在于：拉线从第一部分的光电线位移传感装置机架上的拉线嘴嘴孔中拉出或回缩；第一部分的光电线位移传感装置和第二部分的光电角位移传感装置的主轴共轴线，第一部分整个光电线位移传感装置能围绕该主轴线转动；第二部分的光电角位移传感装置和机壳固定于底盘架；底盘架置于底座上，能围绕底座中心线转动，该中心线与主轴线相垂直。

2、根据权利要求1所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第一部分的光电线位移传感装置中，所述的拉线经拉线嘴内的光电角位移微动开关、光电线位移微动开关和疏丝器引至拉线盘，缠绕有拉线的拉线盘、盘簧及主动齿轮共轴放置在机架内，主轴两端活动置于机架相对的壁上；齿轮组由五个从动齿轮分别由大至小相互啮合，与主动齿轮相啮合的棘轮为齿轮组的最大从动齿轮，由n个夹角为α的不透光黑色叶片构成的切换轮为最小从动齿轮，切换轮与步进微电机共轴，步进微电机固定于机架；有两个槽型光电断续器，每个槽型光电断续器的发射极和接收极分别置于切换轮面的两侧，发射极与接收极之间的光线平行于切换轮轴线，两个槽型光电断续器相互夹角为0.75α；机架一端架壁由主轴穿过活动置于底盘架，另一端架壁上的中轴套与第二部分光电角位移传感装置的主轴相联。

3、根据权利要求1所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第一部分的光电线位移传感装置中，所述的疏丝器的外侧齿轮与拉线盘的齿啮合，拉线盘每转动一周，疏丝器转动一齿，疏丝器的疏丝纹杆将拉线钢丝平移一个钢丝直径的位置，疏丝器内侧齿轮靠在拉线盘边缘滑行，阻止疏丝器随意转动。

4、根据权利要求1所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第一部分的光电线位移传感装置中，所述的制动器的制动圆鼓置于机架壁，制动圆鼓中心轴孔兼作联接第二部分光电角位移传感装置主轴的中轴套，制动连杆置于底盘架，制动连杆上一对制动闸位于制动圆鼓的两侧，手动操作杆制动。

5、根据权利要求1所述的拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第二部分的光电角位移传感装置中，所述的齿轮组的五个从动齿轮分别由大至小相互啮合放置在机架内，由m个夹角为β的不透光黑色叶片构成的切换轮为最小从动齿轮，切换轮与步进微电机共轴，步进微电机固定于机架；有两个槽型光电断续器，每个槽型光电断续器的发射极与接收极分别置于切换轮面的两侧，发射极与接收极之间的光线平行于切换轮轴线，两个槽型光电断续器相互夹角为0.75β；主轴两端活动置于机架相对的壁上，其一端穿过底盘架中间架板与第一部分光电线位移传感装置机架的中轴套相联；机架固定于底盘架。

6、根据权利要求1所述的拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第一部分的光电线位移传感装置中，步进微电机由脉冲电源驱动，由光电线位移微动开关控制，与切换轮共轴，固定于机架；第二部分的光电角位移传感装置中，步进微电机由脉冲电源驱动，由光电角位移微动开关控制，与切换轮共轴，固定于机架。

7、根据权利要求1所述拉线式光电二维位移传感器，其特征在于：第一部分的光线位移传感装置中，所述的拉线为直径0.3毫米的不锈钢丝；所述的拉线盘直径为约50毫米，拉线盘对应的第一部分光电线位移传感装置机架上置有拉线嘴。

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