CN103438938A - 一种应用于高冲击、强振动条件下的位移速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种分段编码式位移速度传感器，用于各种冲击振动场合下的位移速度传感检测，所述传感器包括编码条、读数头和放大器，编码条内包含有位移编码区、速度计算区与零位编码区。本发明能克服现有各型位移速度传感器的不足，提供一种结构简单、抗冲击、抗振动、工作状态稳定、速度检测精度高的新型位移速度传感器。

Description

一种应用于高冲击、强振动条件下的位移速度传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，特别是一种应用于无人机气液压弹射的分段编码式位移速度传感器。

 

背景技术

无人机气液压弹射是近年来国际上出现的一种先进的无人机发射起飞方式，与常用的火箭助推发射起飞方式相比，气液压弹射在发射过程中不会产生光与烟雾，便于起飞场地的隐蔽，更符合实战需求，同时也不存在火工器材的存储、运输与管理问题，并且气液压弹射更具有通用性，同一弹射器可适用于不同型号无人机的发射起飞。

在气液压弹射过程中，为了保证无人机能够达到安全的起飞速度，必须要求弹射系统能够对运载飞机的滑车运动速度进行准确的测定。速度测定结果的准确性直接决定着无人机弹射起飞的可靠性，因此，如何准确有效地对滑车进行速度测定，是弹射系统研发过程中必须要解决的关键技术问题之一。

但无人机气液压弹射的过程发生时间极短，同时伴随着剧烈的冲击振动，设备的工作条件极其恶劣，目前已有的各型位移速度传感器均难以在如此短时间、高冲击、强振动条件下进行高精度的速度检测。因此，如何准确有效地对滑车进行速度测定，也是弹射系统研发过程中的技术难题之一。

目前，针对无人机气液压弹射，多采用高速图像采集的方法。对弹射过程进行图像采集，并在试验完成后，使用图像处理的方法对滑车的速度进行分析测定。由于弹射器发射架的长度较大（10m以上），而高速相机的横向分辨率有限（5120以下），因此使用这一方法对弹射全过程进行图像采集后得到的测速精度很低，只能使用分段局部图像的方法，对气液压弹射的局部过程进行速度测定。同时，高速图像采集测速系统的采购成本较高，试验所得到的图像数据量极大，图像数据处理解析过程繁杂，速度数据取得周期较长。使用高速图像采集的方法，对气液压弹射过程中的滑车运动进行测速，并不是一个理想的解决方法。

而本发明采用分段数字式编码、光电快速检测的方法，有效地克服了弹射过程中的高冲击、强振动，快速、稳定、可靠地实现了弹射过程中滑车的位移及速度的检测，确保无人机弹射起飞过程的可靠性。同时，该传感器具有构成简单、使用方便、实现成本低等特点，不仅可以应用于无人机气液压弹射，也可以广泛的应用于各种冲击振动场合下的位移速度传感检测。

 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对无人机气液压弹射过程中，现有各型位移速度传感器的不足，提供一种结构简单、抗冲击、抗振动、工作状态稳定、速度检测精度高的新型位移速度传感器。

  本发明包括如下的技术方案：

一种应用于无人机气液压弹射的位移速度传感器，包括编码条、读数头以及放大器三部分。

编码条是在L或者T型铝基型材上依据一定的编码形式进行开槽，开槽编码包括“二进制码”、“格雷码”等多种形式。 

读数头包括多个对射式光纤管并列。在弹射过程中，读数头对当前位置的编码条编码进行传感检测，经过相应的累加计算，得到当前滑车的位移数值。  

放大器用于将读数头检测得到的光通断信号转换为高低电平信号，并将所得到的电信号传递至滑车电控单元，最终完成弹射过程中滑车的位移、速度解算。

分段编码式位移速度传感器即是在上述三部分器件的基础上，协同完成弹射过程中的位移速度数据检出。

本发明相比现有技术有如下优点：

（1）本发明针对无人机气液压弹射，提出一种新型的位移速度传感器，传感器器结构形式简单、工作稳定可靠；

（2）本发明大大的提高了无人机气液压弹射过程中，对于位移、速度检测的可靠性与准确性；

（3）本发明能够保证在弹射过程中，发生位移速度信号检测丢帧的条件下，仍可通过对后续的编码条区间检测，实现位移数据的准确检出；

（4）本发明编码形式灵活，可以根据实际使用条件采用多种编码形式；

（5）本发明不仅能够直接检测出“速度—时间”，“位移—时间”数据，同时还能够直接检测出“速度—位移”数据。

 

附图说明

图1为本发明分段编码式位移速度传感器结构示意图；

图2为本发明分段编码式位移速度传感器在气液压弹射器中安装位置示意图；

图3为本发明的分段编码式位移速度传感器编码条功能区示意图；

图4为本发明的分段编码式位移速度传感器读数头结构示意图；

图5为本发明的三位二进制式的分段编码式位移传感器编码条结构及对应编码示意图；

图6为本发明的格雷码形式分段编码式位移速度传感器编码条结构及对应编码示意图；

图7为本发明的分段编码式位移速度传感器的工作流程示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，分段编码式位移速度传感器主要由编码条1、读数头2、放大器3等三部分构成。

编码条1主要用于对位移量进行数字编码，同时划分速度计算区间，定义绝对零位，为传感器的位移测定、速度计算、零位检测提供基准。

读数头2用于检测编码条中的位移编码、速度计算区间起止位置信号以及零位编码，读取出对应的编码信号，并传至放大器。

放大器3用于将读数头检测出的数字编码进行光电转换，并将数字编码实时的回传至滑车电控单元。

图2所示为分段编码式位移速度传感器在气液压弹射器中应用的安装示意。图中，编码条1安装于弹射器发射架6上部；读数头2固定于弹射器滑车4下底面；放大器3固定于弹射器滑车电控盒5内。在弹射过程中，读数头随滑车运动，检测编码条内的编码与信号，传递至安装于滑车电控单元盒5内的放大器3，并最终实时传递至滑车电控单元。

图3所示为分段编码式位移速度传感器的编码条分区示意。编码条内包含有位移编码区7、速度计算区8与零位编码区9等三个区域。

位移编码区7依据一定的编码形式对位移量进行数字编码，并将数字编码以空槽与实体部分进行表达，最终将连续的位移变量转换为离散的数字编码，方便位移量的检测，同时也大大的提高了传感器的抗冲击振动、抗干扰能力。在弹射过程中，读数头通过对位移编码区7进行检测，即可准确地计算当前滑车的位移量。即使传感器在冲击振动条件下发生丢帧、误读，也能通过对后续位移编码的检测，及时修正位移检测量。

速度计算区间8由交替的空槽与实体部分构成，用于对速度计算区间的起始与终止位置进行触发标示。在弹射过程中，读数头2在通过空槽或实体部分边沿时，会产生下降与上升沿的变化。滑车电控单元在检测到这一触发信号后，即开始进行区间通过时间测算，并在检测到下一个触发信号时，停止通过时间测算，计算出上一区间的通过时间，并开始进行下一区间的通过时间测算。

零位编码区9为两两间隔的纵向通槽，读数头在通过零位编码区时，可以触发2个全变量的上升沿信号。这一信号不同编码条其他任意位置的编码量检出。滑车电控单元在检测出零位编码后，即可确定位移测定零位。 

图4为分段编码式位移速度传感器的读数头结构示意。传感器读数头由对射式光纤管10与读数头体11组成。各对射式光纤管分别安装于编码条编码区间的对应位置。

在分段编码式位移速度传感器工作过程中，对射式光纤管10在通过编码条时，由于编码条内开槽与实体部分的作用，激光光路的发生通断，从而使其能够通过光信号的变化读取出编码条的数字编码以及状态翻转时产生的触发信号。

而读数头体11用于固定连接各对射式光纤管，保证光纤管间的相对位置，同时保护光纤管。

图5为使用三位二进制编码形式的位移速度传感器编码条结构及其对应的数字编码表。在传感器工作过程中，光纤对管通过编码条开槽部分时，光路导通，放大器输出高电平信号，对应的表示为1；当光纤对管通过编码条实体部分是，光路断开，放大器输出低电平信号，对应表示为0。

三位二进制编码，依照“000-001-010-011-100-101-110-111”的方式循环进行，1个循环区间内包含有8个编码状态区间。相应的，也表示8个位移变化量。

使用分段编码式位移速度传感器，可以有效地避免位移检测过程中出现的信号丢失现象，提高位移数据检测的准确性与可靠性。以三位编码形式的编码式为例，在位移传感检测过程中，其允许的最大信号丢失量为8。只要信号丢失量小于8，通过对编码式的编码进行检测，传感器仍可以准确的确定出当前所检测到得编码式在编码单元内所处的位置，结合对编码单元的计数，仍可以准确的计算出当前的位移偏移量。以第i组编码单元的第3个编码式为例，当对射式光纤管对这一编码式编码进行检测时，可以知道，从位移检测起始位置到当前编码式所经过的编码单元数i。同时，也可以准确地检测出，当前这一编码式在当前编码单元内的序号数为3，而一个编码单元内包含的编码式数为8。假设每一编码式的长度为0.01m，则当前的编码式对应的位移偏移量为：（8*i + 3）×0.01m。

图6为使用格雷码编码形式的位移速度传感器编码条结构及其对应的数字编码表。不考虑传感器上部测速区的状态变化，在弹射过程中，沿滑车运动的方向，编码条对应的数字编码在每一各状态区间内，与上一个状态区间相比，发生一位数字上的变动，完全依据格雷码形式进行编码。数字变化依照：“00-01-11-10”的方式循环进行。每一格雷码组内包含有四个状态区间，标志着四个位移量。以每个状态区间的长度为0.01m为例，四个状态区间标志着0.04m的长度。编码式位移传感器的最小位移分辨率即是一个最小状态区间的长度。在需检测的距离值较大时，可以使用多组格雷码组进行循环衔接，可以对于长距离值的检测。

以编码形式的位移速度传感器为例，图7为编码式位移速度传感器的工作流程示意图。

如图7所示，当读数头通过编码条零位编码区时，放大器输出两个全变量的“上升沿—下降沿—上升沿”信号，该信号为编码条的零位标识信号，滑车电控单元在检测到该信号后，清零位移计数值，并将清零后读数头检测到的第一个下降沿触发作为计数零位。

当读数头通过编码条位移编码区时，可以检测出编码区对应的位移编码，并通过放大器传递至滑车电控单元。格雷码循环形式为“00—01—11—10”，分别对应于0、1、2、3的编码序号。读数头通过检测位移编码，即可知当前编码的序号，同时读数头每通过一组编码，编码计数变量i即进行累加。以编码“11”为例，当读数头检测到该编码时，滑车电控单元即可确定其为序号为3，而假定每一个编码区长度为0.01m，则可确定当前的位移量为：0.01×（4*i+3）。

读数头在对编码条位移编码区进行检测的同时，也会对速度计算区间的起止进行检测。如图7所示，当读数头在进入01编码区时，速度计算区间空槽会触发产生上升沿信号，滑车电控单元在检测到这一信号后，即清零通过时间值，并在读数头进入11编码区时产生下降沿信号时，停止测量，求得通过时间t₁以及滑车在这一区间的平均速度，并重复这一过程，对下一编码区的通过时间t₂进行测量。

编码式位移速度传感器即是按照这一工作流程完成对气液压弹射过程中滑车的位移、零位、速度等状态量的测量测定的。

本发明的位移速度传感器结构简单、抗冲击、抗振动、工作状态稳定、速度检测精度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分段编码式位移速度传感器，用于各种冲击振动场合下的位移速度传感检测，其特征在于，所述传感器包括编码条、读数头和放大器。

2.根据权利要求1所述的位移速度传感器，其特征在于，其中编码条是在L或者T型铝基型材上依据一定的编码形式进行开槽，所述编码条内包含有位移编码区、速度计算区与零位编码区。

3.根据权利要求2所述的位移速度传感器，其特征在于，所述位移编码区依据一定的编码形式对位移量进行数字编码，并将数字编码以空槽与实体部分进行表达，最终将连续的位移变量转换为离散的数字编码。

4.根据权利要求2所述的位移速度传感器，其特征在于，速度计算区间由交替的空槽与实体部分构成，所述空槽与实体部分用于对速度计算区间的起始与终止位置进行触发标示。

5.根据权利要求2所述的位移速度传感器，其特征在于，所述零位编码区为两两间隔的纵向通槽，读数头在通过零位编码区时，可触发2个全变量的上升沿信号。

6.根据权利要求1所述的位移速度传感器，其特征在于，所述读数头用于检测编码条中的位移编码、速度计算区间起止位置信号以及零位编码，读取出对应的编码信号，并传至放大器。

7.根据权利要求1所述的位移速度传感器，其特征在于，所述读数头包括多个对射式光纤管与读数头体，所述读数头体用于固定连接各对射式光纤管，保证光纤管间的相对位置，同时保护光纤管；各对射式光纤管分别安装于编码条中编码区的对应位置。

8.根据权利要求1所述的位移速度传感器，其特征在于，所述放大器用于将读数头检测得到的光通断信号转换为高低电平信号，并将所得到的电信号进行控制和计算。

9.根据权利要求1所述的位移速度传感器，所述传感器用于无人机气液压弹射系统中，其特征在于，其中编码条安装于弹射器发射架上部；读数头固定于弹射器滑车下底面；放大器固定于弹射器滑车电控盒内；在弹射过程中，读数头随所述滑车运动，检测编码条内的编码与信号，传递至安装于滑车电控单元盒内的放大器，并最终实时传递至滑车电控单元，读数头通过对位移编码区进行检测，即可准确地计算当前滑车的位移量。

10.根据权利要求1所述的位移速度传感器，其特征在于，所述编码包括格雷码编码和二进制编码。

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