CN102980560A - 一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，包括外壳、固定座、以及位于外壳内的两个激光头组件和转盘，其中，固定座固定在外壳上部，固定座内设有电路板，电路板上设有微处理器，两个激光头组件均通过两条电路与微处理器连接；两个激光头组件位于固定座下方，转盘位于两个激光头组件下方，转盘通过转轴固定在外壳内部，转盘上设有摆锤，转盘外周设有一圈反光板，反光板顶部位于激光头组件后方，反光板上刻有多条刻痕。本发明具有以下优点：分辨率高、精度高、性能稳定可靠、线性好、信噪比高、受温度变化影响极小、测量范围宽(360°)、结构简单，成本低。

Description

一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器

技术领域

本发明涉及一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器。

背景技术

传感器技术一直是科研界的热门技术。倾斜角传感器，是用于测量倾斜角度的传感器，广泛应用于工厂、铁路、船业、机械、建筑业、桥梁铺设、水坝建设、汽车行业等。传统的倾斜角传感器中固体摆式倾斜角传感器是常见的一大类，且应用广泛。这类倾斜角传感器一般是由摆锤与位移传感器相组合构成的，位移传感器有：电容式、电感式、电涡流式、电阻式等多种类型；多数位移传感器是模拟输出，要经过A/D转换为数字量后，才能输入计算机系统。位移传感器原始电输出与倾斜角之间的关系一般是非线性的，同时外界的温度、电压等因素的变化会对输出产生影响，因此在传感器接口电路中，要考虑各种补偿电路问题，并且还要考虑电磁干扰的影响。因此，设计开发一个线性好、精度高、性能稳定的倾斜角传感器是一件比较困难的工作。另外传统的固体摆式倾斜角传感器的测量范围比较窄（一般小于±12°）。

发明内容

针对上述现有技术，本发明从新的角度（摆锤与“光盘”相组合）出发，提供了一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，其具有线性好、分辨率高、精度高、测量范围大、稳定性高等优点，其技术要点是：利用激光光盘这种技术具有高精密度的特点，制成一个高精密度的“圆形量角器”，然后用精细的激光束去“读”这个“量角器”。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，包括外壳、固定座、以及位于外壳内的两个激光头组件和转盘，其中，固定座固定在外壳上部，固定座内设有电路板，电路板上设有微处理器，两个激光头组件均通过两条电路与微处理器连接：一是通过激光头控制电路与微处理器连接，二是通过依次连接的放大电路、滤波电路和整形电路与微处理器连接，电路板上连接有引线（包括电源线和数据线，电源线与电路板上所有的单元电路连接，数据线与微处理器连接，此为公知常识），引线穿过并穿出固定座的上盖板，用于与电源和相关的数据处理电路连接（实际应用时，也可以采用内置电池的方式供电，也可以直接在微处理器上连接液晶显示模块，用于显示倾斜角）；两个激光头组件位于固定座下方，转盘位于两个激光头组件下方，转盘通过转轴固定在外壳内部（转轴与外壳连接处设有轴承），转盘上设有摆锤，转盘外周设有一圈反光板，反光板顶部位于激光头组件后方，反光板上刻有多条刻痕，多条刻痕中，有且只有一条刻痕的宽度为m，其余刻痕的宽度为c，相邻刻痕之间的宽度为e，相邻刻痕的中心距离为H（即两条相邻刻痕的中心点之间的弧线长度），两个激光束之间的间距为d（即：两个激光头束在刻痕垂直方向上的距离），c＜d＜m，e=m＜H，H=e+c，具体数值可根椐应用时所需的测量精度决定。

所述固定座通过螺钉固定在外壳上，所述固定座的上盖板通过螺钉固定在固定座上。

所述外壳的前盖板上设有观察孔，观察孔为椭圆形，观察孔位于摆锤正前方。

使用时，将本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器安置在被测物体上。

本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器的工作原理为：在反光板上沿圆周精密均匀的刻有n条刻痕（也就是光盘技术中所讲的凹槽），其宽度小于1μm（相当于刻度，刻痕的条数可根椐所需的测量精度决定），工作时用激光头组件产生的激光朿（直径小于1μm）去“读”这些刻痕：在重力作用下摆锤总是保持在铅锤方向（转盘、反光板、摆锤连为一体，转盘和反光板的质量远小于摆锤的质量，因此在摆锤保持不动的情况下，反光板也保持不动），在被测物体未发生倾斜时，激光头组件发出的激光朿照射在反光板上的位置设定为原点（即刻痕宽度为m处）；当外壳随被测物体倾斜时，摆锤将相对于外壳摆动一个角度（倾斜角ΔQ），这时激光头组件发出的激光朿照射在反光板上的位置发生改变（脱离原点），光朿依次扫过反光板上的刻痕（在刻痕处反光率变低，与反光板形成反光差，造成反射光强弱变化），激光头组件中的光电二极管（激光头组件内设有激光二极管和光电二极管，此为公知常识）接收到强弱不同的反射光信号，将其变换成相应的电信号，该信号经放大电路、滤波电路和整形电路处理后产生相应的电脉冲，将电脉冲送入微处理器，微处理器根据对应的脉冲个数(N)，由公式（Ⅰ）计算出激光束移动的距离(即弧长），再根据公式（Ⅱ）计算出倾斜角。

ΔL=HN                 （Ⅰ）

ΔQ=ΔL/R              （Ⅱ）

其中：ΔL为光束移动的弧长；H为两相邻刻痕的中心距离；N为ΔL弧长内包含的刻痕的个数；R为反光板的半径；ΔQ为倾斜角（角度单位为弧度rad）。例如取：R=100mm H=0.002mm，当光束扫过反光板上的5条刻痕时（即N=5），则：ΔL=HN=0.002*5=0.01（mm），ΔQ=ΔL/R=0.01/100=0.0001（rad）。

反光板上的原点（倾斜角度为零时，激光束照射的点）和转动方向的识别是通过两个激光头组件来实现的，方法是：将两个激光头沿刻痕的垂直方向错开一定距离，使两个激光束错开一定的距离（宽度为d）。

原点的识别：当两个激光朿同时照射到最宽的刻痕时（即刻痕宽度为m处，宽度为m），微处理器判定为原点（这是因为其它各点的刻痕的宽度为c且小于d，并且两个激光束的距离d小于e，所以只有在原点才能出现两个激光束同时照到刻痕的情况)。

转动方向的识别：当激光头组件a产生的光朿先于激光头组件b产生的光朿照射到刻痕时，微处理器判定为正转，反之则判定为反转（定义正转时测量的角度为正值，反之则为负值）。

本发明中所涉及的技术，未详尽的内容均为所属领域的常规技术，如：微处理器、放大电路、滤波电路、整形电路、激光头控制电路，均为现有技术中成熟的技术，很容易实现，在此不再赘述。所述激光头组件为现有技术中已有的产品，例如以广泛应用在DVD中，在此不再赘述。再如：刻痕用激光刻制，为现有技术中成熟的技术（如应用在光盘刻录机中），很容易实现，在此不再赘述。

本发明的基于激光光盘原理的数字式倾斜角传感器，与传统的倾斜角传感相比，具有以下优点：

1)在整个量程之内分辨率和精度都很高，这是由于激光光盘这种技术本身具有很高的精密度，其刻痕间距和激光朿的直径小于1μm（如果激光采用“蓝光”其刻痕间距可减小到0.3μm）。例如取：R=100mm H=2μm则：分度值为0.02/1000mm（分辨率约为0.001°）。

2)性能稳定可靠，能长期使用不需要校准，因为激光光盘这种技术另一个重要特点就是可靠性高，刻痕是利用聚焦激光光束刻在圆弧面反光板上的，一旦刻入就不会变动，也不易消失（激光头与反光板不接触）。

3)线性好，反光板相当于一个离散型元件，因此不存在非线性问题，在整个量程之内线性度一致。

4)输出是数字信号，不需要专门的A/D转换电路，这样可以避免A/D器件对精度的影响（因为A/D器件精度有限，在无形中会降低了数据精度），有利于减少测量时问，也利于信号的远距离传输。

5)信噪比高（因为光盘的信号信噪可达50dB以上），抗干扰能力强。

6)对使用环境无严格要求，受温度变化影响极小(这是缘于激光光盘这种技术又一突出优点)。

7)测量范围宽(360°)。

此外，本发明还有结构简单，成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器的结构示意图

图2为图1中A-A线剖视图。

图3为图1的左视图。

图4为激光头传感器的电路结构示意图。

图5为本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器的工作原理计算示意图。

图6为图5中B-B线展开图。

其中，1、螺钉；2、上盖板；3、固定座；4、电路板；5、反光板；6、转盘；7、外壳；8、观察孔；9、摆锤；10、引线；11、激光头组件a；12、激光头组件b；13、前盖板；14、轴承；15、转轴；16、微处理器；17、整形电路；18、滤波电路；19、放大电路；20、激光头控制电路；21、激光二极管；22、光电二极管；23、数据线。

图1、图2、图3、图5、图6中，转盘上“白处”表示未刻痕处，“黑处”表示刻痕；另外，刻痕的实际宽度很小，小于1μm，肉眼不可分辨，为表述方便、绘图方便，以及便于审查员及公众理解，绘图时，大大增加了刻痕的宽度，减少了刻痕的条数，忽略了刻痕的疏密分布情况，因此，图中的刻痕宽度、条数和疏密情况，并不代表实际的刻痕宽度、条数和疏密情况，保护时应以说明书中的文字描述为准。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，包括外壳7、固定座3、以及位于外壳7内的两个激光头组件（激光头组件a11和激光头组件b12）和转盘6，如图1、图2、图3所示，其中，固定座3固定在外壳7上部，固定座3内设有电路板4，电路板4上设有微处理器16，两个激光头组件均通过两条电路与微处理器16连接：一是通过激光头控制电路20与微处理器16连接，二是通过依次连接的放大电路19、滤波电路18和整形电路17与微处理器16连接，如图4所示；电路板4上连接有引线10（包括电源线和数据线23，电源线与电路板上所有的单元电路连接，数据线23与微处理16器连接），引线10穿过并穿出固定座3的上盖板2，用于与电源和相关的数据处理电路连接（实际应用时，也可以采用内置电池的方式供电，也可以直接在微处理器16上连接液晶显示模块，用于显示倾斜角）；两个激光头组件位于固定座3下方，转盘6位于两个激光头组件下方，转盘6通过转轴15固定在外壳7内部（转轴15与外壳7连接处设有轴承14），转盘6上设有摆锤9，转盘6外周设有一圈反光板5，反光板5顶部位于激光头组件后方，反光板5上刻有多条刻痕，多条刻痕中，有且只有一条刻痕的宽度为m，其余刻痕的宽度为c，相邻刻痕之间的宽度为e，相邻刻痕的中心距离为H（即两条相邻刻痕的中心点之间的弧线长度），两个激光束之间的间距为d（即：两个激光头束在刻痕垂直方向上的距离），c＜d＜m，e=m＜H，H=e+c，具体数值可根椐应用时所需的测量精度决定。

所述固定座3通过螺钉1固定在外壳7上，所述固定座3的上盖板2通过螺钉1固定在固定座3上。

所述外壳7的前盖板13上设有观察孔8，观察孔8为椭圆形，观察孔8位于摆锤9正前方。

使用时，将本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器安置在被测物体上。

本发明的基于激光光盘的数字式倾斜角传感器的工作原理为：在反光板5上沿圆周精密均匀的刻有n条刻痕（也就是光盘技术中所讲的凹槽），其宽度小于1μm（相当于刻度，刻痕的条数可根椐所需的测量精度决定），工作时用激光头组件产生的激光朿（直径小于1μm）去“读”这些刻痕：在重力作用下摆锤9总是保持在铅锤方向（转盘6、反光板5、摆锤9连为一体，转盘6和反光板5的质量远小于摆锤9的质量，因此在摆锤9保持不动的情况下，反光板5也保持不动），在被测物体未发生倾斜时，激光头组件发出的激光朿照射在反光板5上的位置设定为原点（即刻痕宽度为m处）；当外壳7随被测物体倾斜时，摆锤9将相对于外壳7摆动一个角度（倾斜角ΔQ），这时激光头组件发出的激光朿照射在反光板5上的位置发生改变（脱离原点），光朿依次扫过反光板5上的刻痕（在刻痕处反光率变低，与反光板5形成反光差，造成反射光强弱变化），激光头组件中的光电二极管22（激光头组件内设有激光二极管21和光电二极管22，此为公知常识）接收到强弱不同的反射光信号，将其变换成相应的电信号，该信号经放大电路19、滤波电路18和整形电路17处理后产生相应的电脉冲，将电脉冲送入微处理器16，微处理器16根据对应的脉冲个数(N)，由公式（Ⅰ）计算出激光束移动的距离(即弧长），再根据公式（Ⅱ）计算出倾斜角。

ΔL=HN                 （Ⅰ）

ΔQ=ΔL/R              （Ⅱ）

其中：ΔL为光束移动的弧长；H为两相邻刻痕的中心距离；N为ΔL弧长内包含的刻痕的个数；R为反光板的半径；ΔQ为倾斜角（角度单位为弧度rad）。例如取：R=100mm H=0.002mm，当光束扫过反光板上的5条刻痕时（即N=5），则：ΔL=HN=0.002*5=0.01（mm），ΔQ=ΔL/R=0.01/100=0.0001（rad），如图5、图6所示。

反光板5上的原点（倾斜角度为零时，激光束照射的点）和转动方向的识别是通过两个激光头组件来实现的，方法是：将两个激光头组件沿刻痕的垂直方向错开一定距离，使两个激光束错开一定的距离（宽度为d）。

原点的识别：当两个激光朿同时照射到最宽的刻痕时（即刻痕宽度为m处，宽度为m），微处理器16判定为原点（这是因为其它各点的刻痕的宽度为c且小于d，并且两个激光束的距离d小于e，所以只有在原点才能出现两个激光束同时照到刻痕的情况)。

转动方向的识别：当激光头组件a11产生的光朿先于激光头组件b12产生的光朿照射到刻痕时，微处理器16判定为正转，反之则判定为反转（定义正转时测量的角度为正值，反之则为负值）。

Claims (4)

1.一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，其特征在于：包括外壳、固定座、以及位于外壳内的两个激光头组件和转盘，其中，固定座固定在外壳上部，固定座内设有电路板，电路板上设有微处理器，两个激光头组件均通过两条电路与微处理器连接：一是通过激光头控制电路与微处理器连接，二是通过依次连接的放大电路、滤波电路和整形电路与微处理器连接；电路板上连接有引线，引线穿过并穿出固定座的上盖板，用于与电源和相关的数据处理电路连接；两个激光头组件位于固定座下方，转盘位于两个激光头组件下方，转盘通过转轴固定在外壳内部，转盘上设有摆锤，转盘外周设有一圈反光板，反光板顶部位于激光头组件后方，反光板上刻有多条刻痕，多条刻痕中，有且只有一条刻痕的宽度为m，其余刻痕的宽度为c，相邻刻痕之间的宽度为e，相邻刻痕的中心距离为H，两个激光束之间的间距为d，c＜d＜m，e=m＜H，H=e+c。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述固定座通过螺钉固定在外壳上。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述固定座的上盖板通过螺钉固定在固定座上。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光光盘的数字式倾斜角传感器，其特征在于：所述外壳的前盖板上设有观察孔，观察孔为椭圆形，观察孔位于摆锤正前方。

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