CN101614525B - 位移与速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种位移与速度传感器，该传感器包括图像信号源，面阵探测器和处理电路；面阵探测器对图像信号源进行成像，并将图像信号转换成电信号传输给处理电路；处理电路对接收的电信号进行计算和处理，输出表示待测物体位移和速度物理量的信号。采用本发明容易获得较高精度的位移及速度的测量值；并且无需单独设置绝对零位信息就可以与待测物体一起进行装调，然后再设置绝对零位，安装使用后也可方便地进行各种调整，甚至改变处理方法，因而便于装调，且易于校正和功能扩充。

Description

位移与速度传感器
技术领域
本发明涉及一种位移与速度传感器，特别涉及一种利用面阵探测器将待测物体的位移与速度信息转换为电信号的位移与速度传感器。
背景技术
传统的位移与速度传感器是在码盘上设计各种复杂的码道作为位移的判据；采用半导体光电发光与接收器件对码盘的局部码道信息进行采集，并利用处理电路对采集的信息进行计算和处理并输出表示待测物体位移和速度物理量的信号。要实现高精度的位移，要求对码道的设计要考究，加工的精度高，装调复杂，其功能和精度主要取决于码盘中码道的设计和制作精度。制造工艺难度大，环境适应性差，不易于校正和功能扩充。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制造工艺简单、装调方便、精度高、环境适应性强，且易于校正和功能扩充的位移与速度传感器。
为了解决上述技术问题，本发明的位移与速度传感器包括图像信号源，处理电路和面阵探测器；面阵探测器对图像信号源进行成像，并将图像信号转换成电信号传输给处理电路；处理电路对接收的电信号进行计算和处理，输出表示待测物体位移和速度物理量的信号。
本发明采用面阵探测器将图像信号源的图像信号转换成电信号，处理电路根据图像信号源的能够表示位置的信息进行计算和处理，并输出直接表示位移和速度物理量的数字信号或间接表示位移和速度物理量的模拟信号，制造工艺简单，容易获得较高精度的位移及速度的测量值。本发明无需单独设置绝对零位信息就可以与待测物体一起进行装调，然后再设置绝对零位，安装使用后也可方便地进行各种调整，甚至改变处理方法，因而便于装调，且易于校正和功能扩充。
所述的面阵探测器采用面阵CCD或CMOS探测器。
所述图像信号源为带有图形标识的图形板；所述图形板通过连接件与待测物体连接；处理电路根据面阵探测器感应的图形标识的图像信息计算并输出表示待测物体位移和速度物理量的信号。
所述图形标识为一个非等边三角形和一个圆环的组合图形、两个尺寸不等的矩形和一个圆环的组合图形、两个直径不等的圆形和一个圆环的组合图形、其它简单的几何图形或者多个简单几何图形的组合，因而图形板与传统的码盘相比，容易制作，材料选择范围大，成本低，能够适应各种恶劣的工作环境。
所述图像信号源还可以为固定于待测物体上的图形标识，处理电路根据面阵探测器感应的待测物体上图形标识的位置信息处理、计算并输出表示待测物体位移和速度物理量的信号。
本发明还可以包括照明系统，光学系统；照明系统发出的光线照射在图形板上，图形板上的图形经光学系统成像于面阵CCD或CMOS探测器上，由面阵CCD或CMOS探测器将图像信号源的图像信号转换为电信号传输给处理电路。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的位移与速度传感器结构示意图。
图2为本发明实施例1的结构示意图。
图3为本发明处理电路结构框图。
图4a、4b、4c、4d为本发明实施例1在待测物体发生旋转时，其图形标识在面阵CCD上所成的像的位置变化示意图(图形标识为非等边三角形与圆环组合的图形)。
图5a、5b、5c、5d为本发明实施例1在待测物体发生旋转时，其图形标识在面阵CCD上所成的像的位置变化示意图(图形标识为两个尺寸不等的矩形与圆环组合的图形)。
图6a、6b、6c、6d为本发明实施例1在待测物体发生旋转时，其图形标识在面阵CCD上所成的像的位置变化示意图(图形标识为两个直径不等的圆形与圆环组合的图形)。
图7为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的位移与速度传感器包括图像信号源1，面阵探测器2，处理电路3；图像信号源1成像于面阵探测器2上，面阵探测器2将图像信号源1的图像信号转换为电信号传输给处理电路3，由处理电路3根据图像信号源1上的图像位置信息计算并输出待测物体的位移及速度。
实施例1
如图2所示，所述的面阵探测器2采用面阵CCD，图像信号源1为带有图形标识的图形板11，所述图形板11通过连接件12与待测物体连接。照明系统4发出的光线照射在图形板11上，图形板11经光学系统5成像于面阵CCD上，面阵CCD将图形板11的图像信号转换为电信号传输给处理电路3，处理电路3根据图形标识的图像位置信息计算并输出待测物体的位移及速度。整个装置建立在支撑结构10上。
照明系统4可以采用LED光源或其他普通光源。
光学系统5可以采用聚光镜或其他能够使图形板11成像于面阵CCD的光学元件或多个光学元件的组合。
如图3所示，所述的处理电路包括驱动电路21、视频放大电路31，模数转换电路32，处理器33，程序存储器34，随机存储器35。视频放大电路31、模数转换电路32与处理器33用于进行电子学信号的放大、模数转换和处理；程序存储器35用于存储程序；随机存储器34用于数据处理过程中的数据存储；处理器33是核心处理单元，用于整个传感器工作的控制和数据处理，驱动电路2用于维持面阵探测器工作；电源电路7用于提供电路所需的各种电源；接口电路9用于输出测量的数据和其它信息。功能键6和显示器8可以根据工作的需要来设置。
所述的处理器可以采用单片机、DSP、CPU、FPGA等具有数字信号处理能力的芯片。
所述的处理电路还可以采用其它本领域公知的能够完成信息计算和处理并输出信号的电路。
图形标识采用一个非等边三角形和一个圆环的组合图形，图4a、4b、4c、4d示出了在不同时刻t1、t2，图形标识及其在面阵探测器上的成像在发生角位移时的位置变化。
所述的连接件可以为连接杆或轴系；待测物体通过连接杆或轴系带动图形板移动或旋转，图形板上非等边三角形的位置数据也随之改变，处理电路根据在此过程中记录的图形板上三角形的位置数据信息即可计算待测物体的角位移和角速度物理量。
由于我们采用的面阵探测器可以建立两维的坐标定位，其中的三角形不是等边三角形，由此可利用其中一个顶点的位置确定该传感器的绝对零位，可以用很多种本领域公知的方法对时刻t1、t2两次成像进行处理，计算出待测物体角位移的变化，对角位移进行微分等处理可以计算出待测物体的角速度。如可以对三角形的其中一个顶点在面阵探测器上的位置变化推算出位移量。要获得较高的测量精度可以对三顶点或三边进行相关处理获得位移量，通过计算圆环的圆心(重心)即可消除轴的晃动。因而采用图形板代替码盘容易获得较高精度的位移及速度的测量值。
所述图形标识还可以采用两个尺寸不等的矩形和一个圆环的组合图形。图5a、5b、5c、5d示出了在不同时刻t1、t2，图形板上组合图形及其在面阵探测器上的成像在发生角位移时的位置变化。
与一个非等边三角形和一个圆环的组合图形类似，可以对矩形图像的重心进行处理消除轴的晃动，对矩形边的位置变化进行相关处理，就可以计算出位移量，其中的小矩形用于设置绝对零位。
图形标识还可以采用两个直径不等的圆形和一个圆环的组合图形。图6a、6b、6c、6d示出了在不同时刻t1、t2，图形板上组合图形及其在面阵探测器上的成像在发生角位移时的位置变化。
可以通过计算出两个圆的重心连线测量出角位移，其中两个圆的大小不一样用于设置绝对的零位。
本发明还可以采用其他简单图形或几个简单图形的组合图形作为图形标识，图形标识还可以根据需要设置成各种不同的灰度等级，也可以做成不同的光谱图像。
实施例2
如图7所示，所述的面阵探测器2采用面阵CCD，图像信号源1为固定于待测物体上的图形标识14，图形标识14可以采用与实施例1相同或不同的图形。照明系统4发出的光线照射在待测物体13上，待测物体13及图形标识14经光学系统5成像于面阵CCD上，面阵CCD将待测物体13的图像信号转换为电信号传输给处理电路3，处理电路3根据待测物体13上图形标识14的图像位置信息计算并输出待测物体的角位移及速度。整个装置建立在支撑结构10。
照明系统4可以采用LED光源或其他普通光源。
光学系统5可以采用聚光镜或其它能够使待测物体成像于面阵CCD的光学元件或多个光学元件的组合。
本发明还可以根据图形标识的图像所反映的位置信息测定待测物体的线位移及速度。
应当理解的是，上述实施例仅仅是为了对本发明作出详细说明而作出的描述，而不应理解为对本发明权利要求的限制，因而凡是在本发明权利要求技术方案基础上作出的任何简单变形都在本发明意图保护范围之内。

Claims (3)

1.一种位移与速度传感器，包括处理电路(3)，图像信号源(1)和面阵探测器(2)；其特征在于所述图像信号源(1)为带有图形标识的图形板(11)；图形板(11)通过连接件(12)与待测物体连接，连接件为连接杆或轴系，待测物体可通过连接杆或轴系带动图形板旋转；面阵探测器(2)对图像信号源(1)进行成像，并将图像信号转换成电信号传输给处理电路(3)；处理电路根据面阵探测器感应的图形标识的图像信息计算并输出表示待测物体角位移和角速度物理量的信号；所述图形标识采用一个非等边三角形和一个圆环的组合图形，通过计算圆环的圆心可消除轴的晃动；或者，图形标识采用两个尺寸不等的矩形和一个圆环的组合图形，其中小矩形用于设置绝对零位，对矩形图像的重心进行处理可消除轴的晃动；或者，图形标识采用两个直径不等的圆形和一个圆环的组合图形，通过计算出两个圆的重心连线测量出角位移，其中两个圆的大小不一样用于设置绝对的零位；整个装置建立在支撑结构（10）上。
2.根据权利要求1所述的位移与速度传感器，其特征在于所述的面阵探测器(2)采用面阵CCD或CMOS探测器。
3.根据权利要求2所述的位移与速度传感器，其特征在于还包括照明系统(4)，光学系统(5)；照明系统(4)发出的光线照射在图形标识上，图形标识经光学系统(5)成像于面阵CCD或CMOS探测器上。 
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