CN101308010B - 测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置 - Google Patents

测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置及方法，它主要由壳体、设置在壳体内的重力加速度传感器、数据处理单元和设置在壳体表面的按键控制装置、显示单元组成，壳体为支撑保护构件，重力加速度传感器与数据处理单元连接，数据处理单元与按键控制装置和显示单元电连接。本发明能测量水平螺旋传动机构的直线位移量，并使直线位移量数显化，不仅直观，而且精度高、功耗低、安装方便，维护容易。

Description

测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置
技术领域
本发明涉及长度测量装置，具体是测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置。
背景技术
螺旋传动机构具有将回转运动转换为直线运动的功能，与其它可以实现直线运动的机构相比具有降速比大，在转角很大的情况下，可得到很小的直线位移量的特点，在现代制造业发展的带动下，很容易实现高的传动精度和定位精度，是精密仪器和设备中广泛应用的一种传动机构。为了定量地测量直线位移量，现在广泛采用的是直接测量其直线位移的长度测量装置，如直线光栅，磁栅，感应同步器等。也有通过测量回转角度，然后通过比例转换来间接得到直线位移量的装置，如编码盘，刻度盘等；但这些测量装置都存在一个安装位置必须保证与螺旋传动机构运动方向平行和同心的问题，否则会带来较大的测量误差；同时在使用现场还存在不方便维护的问题。也有公司针对水平螺旋传动机构，推出了手轮重垂表指示器，基于重力的原理，在内部设计有一个自由摆动的重垂，带动齿轮系统将摆动的动作传送到指针，再通过专用刻度盘指示传动机构的直线位移量，该装置虽然降低了与螺旋传动机构的安装位置要求，但需专用刻度盘配套使用也降低了产品的灵活性。且齿轮、指针、刻度盘读数指示系统亦限制了测量精度的提高；影响产品的普及推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置，这种测量装置具有测量数据数显化、安装方便、高精度、低功耗特性，并且维护容易的优点。
本发明铅垂式数显电子测量装置，它包括壳体、设置在壳体内的重力加速度传感器、数据处理单元和设置在壳体表面的按键控制装置、显示单元等，壳体为支撑保护构件，重力加速度传感器与数据处理单元线缆或无线传输连接，数据处理单元与按键控制装置和显示单元电连接，另在壳体上设有或不设快速装、卸装置和电磁屏蔽装置与防尘防水装置。
所述的重力加速度传感器为采用类同水平倾角检测的传感器，如硅微电容式、硅微压电式、硅微热电偶式、硅微谐振式或硅微光波导式等加速度传感器或者膜电位式、圆容栅式水平、倾角传感器等，通过对地球重力敏感的加速度传感器测量螺旋传动机构水平转轴相对于铅垂位置的转角的方法来获得转轴的转动角度电子信息，并输出到数据处理单元。
所述的数据处理单元为MCU(微处理器)，根据螺旋传动机构的运动规律获得角度与直线位移的比值关系，经MCU数据处理得到直线位移量并产生驱动数字显示信息。
所述的按键控制装置主要用于基准零位的设定，不同转换比例关系的选取和显示控制等。
所述的显示单元为LCD或LED，将数据处理装置输出信息通过在壳体上端面、斜面设置的多个读数窗口显示。
所述的快速装、卸装置为强力磁吸附或快装卡。
本发明的优点在于：
(1)由于重力加速度传感器是采用了类同水平倾角检测的传感器如膜电位式、圆容栅式水平倾角传感器，对水平设置的螺旋传动机构的回转轴的转角进行相对于铅垂线的转动量检测，在一个局部范围内，测量装置在不同位置的重力铅垂线可认为是相互平行的，因而测量到回转轴相对于铅垂线转动的转角与测量装置所处的位置无关，测量装置的检测器件不需与回转轴轴心同心，从而从根本上降低对测量装置的安装要求。
(2)本发明采用重力惯性加速度传感器来对水平设置的螺旋传动机构的回转轴的转角进行相对于在铅垂线转动量的电子检测，在获得电信号参数的同时，利用螺旋传动机构在将回转运动转换为直线运动的方式具有降速比大的特性，即在转角很大的情况下，可得到很小的直线位移量，选用普通灵敏度的传感器即能获得较高的直线位移分辨率，同时可减少振动引起测量数据不稳定的影响，为测量数显化和实现高精度测量打下基础。
(3)本发明采用MCU(微处理器)来对传感器数据进行处理，可充分发挥MCU可编程的特性和计算能力，方便地进行不同导程的螺旋传动机构的回转轴回转角度和直线位移的比例系数转换，增加产品的适应性，同时，利用MCU的存储功能标记螺旋传动机构的空回量，并在数字显示时进行扣减，使显示值更接近实际位移状态，提高产品的实用性。
(4)本发明通过设置多个斜面放置的读数窗口方式，更加方便于读数。
(5)本发明在MCU的数据处理程序中为消除由于螺旋传动机构加工制造存在误差而存在空回现象，在反程运行时会出现旋转轴已转动，而直线位移未动的情况；此时由于重力加速度传感器检测的是旋转轴变化量并输出，使显示的直线位移值与实际的反程直线位移量不符。在MCU的程序处理中，增加对空回的直线位移量显示值修正补偿程序来作修正，空回的实际偏差值可通过现场实测得到，通过按键输入给处理程序即可实现补偿，使产品更加方便使用。
(6)测量方法操作容易、精度高、功耗低。
(7)本发明还可同时或只作为测量螺旋传动机构旋转轴的旋转角度使用。
(8)由于本发明传感器为重力惯性传感器，通过显示方式变换还可作为水平、倾角的测量装置使用。
附图说明
图1是本发明的外形示意图；
图2是本发明实施例1测量装置的结构示意图；
图3是本发明实施例1的电路框图；
图4是本发明的实施例2测量装置的结构示意图；
图5是本发明的实施例2的电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明内容的限定。
实施例1
参照图1、图2、图3，本发明的测量装置包括铅垂重力摆结构和容栅传感器4组成的重力水平、倾角传感器1，端面磁阻尼装置2，MCU数据处理单元6，按键控制装置7、LCD显示单元8和壳体9等。重力水平、倾角传感器1的铅垂重力摆结构为转轴加精密轴承作为转动体和支撑，偏心的质量块形成摆锤5组成的单摆结构，容栅传感器4为动、定栅结构，动栅板与单摆转轴相连，定栅与测量装置壳体9相连。当测量装置随水平设置的螺旋传动机构的回转轴转动时，定栅也随回转轴转动，而摆锤5的铅垂力使容栅传感器4的动栅板始终保持回归在铅垂位置，使得动、定栅发生相对的转角变化，动、定栅间的偶合电容量也发生变化，将动、定栅耦合变化的相应电信号变化量，送入容栅传感器ASIC4处理，可得到动、定栅相对转动角度的脉冲当量数，在此动、定栅相对转动停止后输出的脉冲当量数，即对应的螺旋传动机构的回转轴相对的回转变化角度的脉冲当量数。端面磁阻尼装置2与摆锤5摆动面平行，在360度圆周环状布置有薄磁铁片，相邻的磁铁片磁极相反，磁铁片的一面和导磁环贴合，另一面彼此形成空气磁路，摆锤5始终置于空气磁隙中，当单摆受重力作用产生摆动时，摆锤切割磁力线，在其内部产生涡电流，形成阻止摆动的阻力；此涡电流与摆动速度成正比，摆动阻力随摆速的减少而减少，因而摆的最终位置并不受到阻力的影响，却又因在摆动时存在阻力能很快稳定下来，使得容栅重力水平倾角传感器的动、定栅相对转动角度的脉冲当量数能及时真实反映螺旋传动机构的回转轴相对的回转变化角度。使产品更具实用性并可应用于有一定振动的场合；其在360度均发挥阻尼作用的端面磁阻尼装置，在多圈回转的旋转传动机构中更能发挥阻尼效果。MCU数据处理单元6对通过线缆或无线传输送入的容栅传感器4动、定栅相对转动角度的脉冲当量数进行计算处理和当量转换。根据螺旋传动机构的传动关系特性，其直线位移量“L”等于螺旋的导程“S”除以一个圆周的角度再乘以回转轴相对的转动角度“θ”。即L＝(S÷360)×θ。“θ”值根据容栅传感器动、定栅相对转动角度的脉冲当量数进行计算处理和当量转换求得。螺旋的导程“S”值按实际值通过按键输入或选取。对已知的具体应用的螺旋传动机构，也可根据其实际导程值设定。直线位移量“L”根据公式L＝(S÷360)×θ求得后，可根据需要做公、英制转换并进行译码、驱动输出。通过LCD或LED显示单元8实现数字显示。此外由于螺旋传动机构加工制造存在误差而存在空回现象，在反程运行时会出现旋转轴已转动，而直线位移未动的情况；此时由于容栅传感器4检测的是旋转轴变化量并输出，使显示的直线位移值与实际的反程直线位移量不符。针对这种情况，在MCU的程序处理中，增加对空回的直线位移量显示值修正补偿程序来作修正，空回的实际偏差值可通过现场实测得到，通过按键控制装置7输入给处理程序即可实现补偿，使产品更加方便使用。测量壳体9通过电磁屏蔽设计和防尘防水设计，使容栅重力水平倾角传感器1和MCU数据处理单元6得到更好的保护，提高其抗振、抗干扰、抗污能力，增强产品的稳定性和可靠性。壳体9可根据实际需要设有快速装、卸结构，如强力磁吸附或快装卡等，以便于测量装置的安装、拆卸和维护。为便于观察读数，LCD显示单元8设置在壳体9斜面或端面上，还可通过MCU编程控制显示的数字实现随观察角度将显示数字正显或倒显，方便读数。另外，重力加速度传感器、数据处理单元与显示单元还可分体设置，通过线缆或无线传输连接。
本实施例的重力加速度传感器采用铅垂重力摆结构5和容栅传感器4组成的重力水平倾角传感器1，可充分发挥容栅传感器4测量范围大，线性好，可多圈测量，有专用集成IC输出为数字信号方便进行后续处理；动、定栅无摩擦，对铅垂重力摆灵敏度无干涉以及响应速度快、温差小、功耗低等特点。配合本案申请人在先申请并已授权的端面式磁阻尼装置技术，使产品更具实用性、利于推广应用。
本实施例的重力加速度传感器1采用铅垂重力摆结构5和容栅传感器4组成的重力水平倾角传感器，还可充分发挥容栅传感器的分辨率可根据实际需求作调整的优势，制造出不同成本、不同精度的测量装置，满足不同需要。如传感器按2节距制作，对应10mm导程的螺旋传动机构可得到10μm的最小分辨力。如传感器按18节距制作，对应10mm导程的螺旋传动机构的最小分辨力可达1μm。
实施例2
参照图4、图5，本发明的测量装置包括硅微热电偶式重力加速度传感器1，MCU数据处理单元6，按键控制装置7、LCD显示单元8和壳体9。硅微热电偶式重力加速度传感器1是基于MEMS技术的加速度传感器，它的原理是基于自由对流热场的传递性，器件通过测量由加速度器所引起的内部温度的变化来测量加速度；传感器的质量块是气体，一个被放置在硅芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团。同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的，此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称，此时四个热电耦组的输出电压会出现差异。而这热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径；一条是用于测量X轴上所感应的加速度；另一条则用于测量Y轴上所感应的加速度。当硅微热电偶式重力加速度传感器垂直放置时，在360度旋转当中，X轴和Y轴测到的重力加速度信号一路从小到大，另一路从大到小，交替循环；通过MCU数据处理单元2比较和处理X、Y轴输出的信号，即可得到传感器所处的旋转角度位置。利用MCU检测X轴和Y轴信号变化次数，结合传感器所处的旋转角度位置值，可求得传感器实际旋转的角度量，此值即对应的螺旋传动机构的回转轴相对的回转变化角度值，根据螺旋传动机构的传动关系特性，其直线位移量“L”等于螺旋的导程“S”除以一个圆周的角度再乘以回转轴相对的转动角度“θ”。即L＝(S÷360)×θ。“θ”值根据硅微热电偶式重力加速度传感器X、Y轴输出量求得。螺旋的导程“S”值按实际值通过按键输入或选取。对已知的具体应用的螺旋传动机构，也可根据其实际导程值设定。直线位移量“L”根据公式L＝(S÷360)×θ求得后，可根据需要做公、英制转换并进行译码、驱动输出。通过LCD/LED显示单元4实现数字显示。
本实施例的重力加速度传感器1采用硅微热电偶式重力加速度传感器，其制作技术采用硅微机械加工技术(MEMS)，加工工艺与传统的集成电路工艺兼容，易于与信号处理电路集成，便于实现数字化、智能化以及批量生产；有着体积小，质量轻，成本低，可靠性高等特点。在低响应速度的倾角测量场合，还可采用脉冲供电方式工作，一方面减少振动对测量的影响，另一方面，还可有效降低功耗。利于产品的推广使用。
其余同实施例1。
实施例3
重力加速度传感器采用硅微电容式、或硅微压电式、或硅微谐振式、或硅微光波导式等加速度传感器，其余同实施例1或2。

Claims (10)

1.测量水平螺旋传动机构直线位移量的铅垂式数显电子测量装置，其特征是：它包括支撑保护构件的壳体(9)、设置在壳体(9)内的重力加速度传感器(1)、数据处理单元(6)和设置在壳体(9)表面的按键控制装置(7)、显示单元(8)，重力加速度传感器(1)与数据处理单元(6)连接，数据处理单元(6)与按键控制装置(7)和显示单元(8)电连接，重力加速度传感器(1)与螺旋传动机构水平转轴的轴心非同心设置并随螺旋传动机构水平转轴转动，以检测螺旋传动机构的水平转轴相对的回转变化角度，数据处理单元(6)根据螺旋传动机构的传动关系特性计算螺旋传动机构的直线位移量并通过显示单元(8)进行显示。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述的重力加速度传感器(1)为能测量螺旋传动机构水平转轴相对于水平、铅垂位置的转角的类同水平倾角检测的传感器。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征是：所述的水平倾角检测的传感器为硅微电容式加速度传感器、硅微压电式加速度传感器、硅微热电偶式加速度传感器、硅微谐振式加速度传感器、硅微光波导式加速度传感器、膜电位式或容栅式重力水平倾角传感器。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述的数据处理单元(6)为MCU。
5.根据权利要求1或4所述的测量装置，其特征是：在MCU的程序处理中，增设对空回的直线位移量显示值修正补偿程序。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述的显示单元为LCD或LED。
7.根据权利要求1或6所述的测量装置，其特征是：显示单元上斜面设置有一个以上的读数窗口，或端面设置有一个可随观察角度将显示数字正显的读数窗口。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：所述的快速装、卸装置为强力磁吸附或快装卡。
9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：在壳体(9)上还设置有电磁屏蔽装置与防尘防水装置。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是：重力加速度传感器、数据处理单元与显示单元可分体设置，通过线缆或无线传输连接。
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