CN104515464A - 一种位移测量系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移测量系统和装置，包括激励线圈，采集线圈；还包括电源电路，包括第一芯片与第一稳压二极管，用于为电路供电；激励信号产生电路，包括第二芯片与第三芯片，用于产生激励信号，所述激励信号加载在所述激励线圈的两端；运放电路，包括第一运算放大器与第二运算放大器，用于放大采集线圈；CPU电路，所述CPU电路包括第四芯片，用于处理信号；输出电路，包括第五芯片，用于TTL信号的输出。本发明提供的位移测量系统和装置，可以令位移测量更精准，不受外部环境影响。

Description

一种位移测量系统和装置

技术领域

本发明涉精密检测技术领域，特别是涉及一种位移测量系统和装置。

背景技术

目前传感器在各种机床行业设备中应用已经到了很重要的地位，没有了传感器提供准确位置，机床行业加工出来的产品都将无法使用。传感器甚至成为了机床行业厂商的一个重要卖点。性能优越的传感器将会给这些产品在加工过程中提供精确的定位，减少了一些不必要的麻烦，从而给厂商带来极大的经济效益，也带动了机床行业的产业发展。

随着机床行业的不断发展，对传感器装置要求也越来越高。因此高精度，寿命长，抗油抗水抗尘抗震，能在恶劣的环境中工作的传感器是时代的需要。

目前的传感器中测量位移主要有光信号采集处理和电信号采集处理两种装置的缺点是精度不够，在恶劣环境中受到工作场所影响，输出不稳，使用寿命短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种位移传感器的检测电路，使得位移传感器输出稳定，精度高，实用寿命长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种位移测量系统，包括感应单元与读数头单元，所述读数头单元包括线圈，所述线圈包括激励线圈，采集线圈；其中采集线圈包括第一采集线圈和第二采集线圈；所述读数头单元还包括：

电源单元，包括第一芯片与第一稳压二极管，用于为电路供电；激励信号单元，包括第二芯片与第三芯片，用于产生激励信号，所述激励信号加载在所述激励线圈的两端；运放电路单元，包括第一运算放大器与第二运算放大器，用于放大采集线圈；微处理器单元，所述微处理器单元包括第四芯片，用于处理信号；输出单元，包括第五芯片，用于TTL信号的输出。

所述位移测量系统的电源单元还包括第一电感在第一电容与第二电容之间，所述第一电感与第一芯片相连，所述第一芯片还与第一电阻及第三电容连接；所述第一电感还与第二电阻连接，所述第二电阻与第三电阻并联，所述第二电阻与第四电阻串联；所述第二电阻还与第一稳压二极管连接，所述第一稳压二极管与第五电阻，第六电阻并联，所述第五电阻与第六电阻互相串联，并与第四电容并联。

所述位移测量系统的激励信号单元还包括第五电容接地，所述第二芯片与第七电阻，第八电阻，第九电阻并联，所述第七电阻，第八电阻，第九电阻串联，所述第二芯片还与第六电容连接，所述第二芯片还与第十电阻，第十一电阻串联，与第十二电阻串联；所述激励产生电路还包括第三芯片，所述第三芯片第二引脚与第十三电阻连接，所述第三芯片第三引脚与第七电容连接，所述第三芯片第四引脚与第十四电阻，第八电容，第十五电阻，第十六电阻连接，所述第十四电阻，第八电容，第十五电阻，第十六电阻串联。

所述位移测量系统的运放电路单元具有第一运算放大器，第二运算放大器，所述第一运算放大器负输入端与并联的第十六电阻与第十七电阻连接，并通过串联第十八电阻与CPU连接，所述第一运算放大器正输入端与第十九电阻及第九电容连接，所述第九电容与第一采集线圈连接；所述第二运算放大器负输入端与与并联的第二十电阻与第二十一电阻连接，并通过串联第二十二电阻与微处理器连接，正输入端与第二十三电阻及第十电容连接，所述第十电容与第二采集线圈连接；所述第一采集线圈，第二采集线圈接入由第二十四电阻与第十一电容生成的参考电压，所述运放电路还包括第二十五电阻接地，第十二电容与第十三电容并联接地。

所述位移测量系统的微处理器单元包括第四芯片，与电源电路，激励产生电路，运放电路和输出电路连接，还与第十四电容，第十五电容连接的晶振连接，并包括一USB电路，所述USB电路由一三极管接入电压，经由第二十六电阻接入微处理器，所述三极管与第二十九电阻并联，并通过串联第二十七电阻与第二十八电阻接USB，所述USB还由第三十电阻，第三十一电阻接入微处理器，并由第三十二电阻接通电源。

所述位移测量系统的输出电路包括第五芯片，还具有四个电阻组成的联排电阻。

所述的位移测量系统的感应单元为一磁性钢带，钢带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

本发明提供一种位移测量装置，所述位移测量装置包括一感应装置与一读数头装置；所述读数头装置包括外壳，PCB板，磁性钢带，软带，钢片；所述PCB板通过电缆外接电源，所述PCB板上装有检测电路，所述PCB板上装有磁性钢带，所述软带粘有绕制的线圈，与磁性钢带固接在PCB板上，所述钢片用于密封外壳；所述感应装置为一磁性钢带，钢带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

所述位移测量装置的感应装置上的镂空槽为腰形槽。

采用了上述的技术方案，本发明提供的位移测量系统和装置与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提供的位移测量系统和装置可与被测物固接，在具有多个规律排列镂空槽的充磁钢带上沿测量方向做相对运动，产生变化的磁场，读数头采集线圈得到信号经检测电路中微处理器处理最终输出差分的TTL信号，可以广泛应用于各种机床，并且达到足够的精度，稳定性也极高，且不受电磁的影响。

附图说明

图1是本发明的电源单元

图2是本发明的激励信号单元

图3是本发明的运放电路单元

图4是本发明的微处理器单元

图5是本发明的输出单元

图6是本发明的立体示意图

图7是本发明的立体示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明所述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明涉及一种位移测量系统，包括感应单元与读数头单元，所述读数头单元包括线圈，所述线圈包括激励线圈(J6)，采集线圈；其中采集线圈包括第一采集线圈(T31)和第二采集线圈(T32)；所述读数头单元还包括：

电源单元，包括第一芯片(U43)与第六芯片(U5)，用于为电路供电；激励信号产生电路，包括第二芯片(U9)与第三芯片(U8)，用于产生激励信号，所述激励信号加载在所述激励线圈的两端；运放电路，包括第一运算放大器(U2A)与第二运算放大器(U2D)，用于放大第一采集线圈(T31)和第二采集线圈(T32)；CPU电路，所述CPU电路包括第四芯片(U3)，用于处理信号；输出电路，包括第五芯片(U10)，用于TTL信号的输出。第一芯片通常选用LM1117MPX-33。

如图1所示，电源单元还包括第一电感(L41)在第一电容(C41)与第二电容(C42)之间，所述第一电感(L41)与第一芯片(U43)相连，所述第一芯片(U43)还与第一电阻(R92)及第三电容(C46)连接；所述第一电感(L41)还与第二电阻(R19)连接，所述第二电阻(R19)与第三电阻(R30)并联，所述第二电阻(R19)与第四电阻(R20)串联；所述第二电阻(R19)还与第六芯片(U5)连接，所述第六芯片(U5)与第五电阻(R21)，第六电阻(R32)并联，所述第五电阻(R21)与第六电阻(R32)互相串联，并与第四电容(C28)并联。所述第六芯片(U5)使用TL431AIDBZR。

如图2所示，激励信号单元还包括第五电容(C13)接地，所述第二芯片(U9)与第七电阻(R2)，第八电阻(R3)，第九电阻(R6)串联，所述第七电阻(R2)，第八电阻(R3)并联，所述第二芯片(U9)还与第六电容(C14)连接，所述第二芯片(U9)还与第十电阻(R5)，第十一电阻(R1)串联，另与第十二电阻(R7)串联；所述激励产生电路还包括第三芯片(U8)，所述第三芯片(U8)第二引脚与第十三电阻(R90)连接，所述第三芯片(U8)第三引脚与第七电容(C2)连接，所述第三芯片(U8)第四引脚与第十四电阻(R17)，第八电容(C51)，第十五电阻(R91)，第十六电阻(R4)连接，所述第十四电阻(R17)，第八电容(C51)，第十五电阻(R91)，第十六电阻(R4)串联。第二芯片可选用LTC1563-2，第三芯片可选用TLV4120。

如图3所示，运放电路单元具有第一运算放大器(U2A)，第二运算放大器(U2D)，所述第一运算放大器负输入端与并联的第十六电阻(R43)与第十七电阻(R17)连接，并通过串联第十八电阻(R11)与CPU连接，所述第一运算放大器正输入端与第十九电阻(R44)及第九电容(C9)连接，所述第九电容(C9)与第一采集线圈(T31)连接；所述第二运算放大器(U2D)负输入端与与并联的第二十电阻(R45)与第二十一电阻(R47)连接，并通过串联第二十二(R24)电阻与CPU连接，正输入端与第二十三电阻(R45)及第十电容(C24)连接，所述第十电容(C24)与第二采集线圈(T32)连接；所述第一采集线圈，第二采集线圈接入由第二十四电阻(R38)与第十一电容(C30)生成的参考电压，所述运放电路还包括第二十五电阻(R40)接地，第十二电容(C27)与第十三电容(C15)并联接地。

如图4所示，微处理器单元包括第四芯片(U3)，与电源电路，激励产生电路，运放电路和输出电路连接，还与第十四电容(C10)，第十五电容(C11)连接的晶振(U4)连接，并包括一USB电路，所述USB电路由一三极管(Q1)接入电压，经由第二十六电阻(R36)接入CPU电路，所述三极管与第二十九电阻(R37)并联，并通过串联第二十七电阻(R39)与第二十八电阻(R99)接USB，所述USB还由第三十电阻(R10)，第三十一电阻(R28)接入CPU电路，并由第三十二电阻(R65)接通电源。

如图5所示，输出电路单元包括第五芯片(U10)，还具有四个电阻组成的联排电阻(R79)。

本发明的信号流可描述如下：

电源单元中3.3V电压由芯片U43(LM1117MPX-3.3)产生。电源电路外接5V电源POWER通过电感L41连接到U43的1脚，POWER通过电容C41连接到GND，U43的1脚通过电容C42连接到GND，U43的2脚接GND，U43的3，4引脚连接在一起输出电压3.3V。3.3V通过电阻R92产生+3.3V，连接到CPU，为CPU供电。U43的1脚连接到R19和R31的一端，并且R19和R31并联连接到芯片U5的1脚，U5是芯片TL431，提供A3.3V及VREF电压，其中U5的2脚和3脚之间连接着电阻R32，U5的3脚接AGND，U5的2脚通过R21连接到A3.3V，A3.3V通过电阻R20产生VREF电压连接到CPU，为CPU电路提供参考电压。

激励信号单元由芯片U3即STM32F415产生一个TIM1_CH1方波信号，然后有芯片LTC1563-2和芯片TLV4120实现。其中芯片U9的1脚和16脚连接到3.3V，U9的1脚通过电容C13连接到GND。TIM1_CH1通过电阻R6连接到U9的2脚，U9的2脚通过电阻R2连接到U9的4脚，U9的2脚通过电阻R3连接到U9的6脚即LPA信号，LPA信号通过电阻R7连接到U9的11脚，U9的11脚通过电阻R1连接到U9的13脚，U9的11脚通过电阻R5连接到U9的15脚输出VOUT信号。U9的3脚5脚8脚9脚10脚12脚以及14脚接GND。VOUT信号通过电阻R17连接到电容C51，在连接到电阻R19连接到芯片U8的4脚。U8的4脚通过电阻R4连接到U8的5脚即输出激励信号OUT+，U8的2脚和3脚连接通过电容C2接GND。U8的2脚通过电阻R90连接到OUT+，U8的8脚产生激励信号OUT-。U8的6脚接+5V电压，U8的7脚接GND。

所述运算放大电路单元由芯片AD8648实现采集线圈信号的放大。其中激励信号OUT-和OUT+连接到线圈J6的1和2脚上，即激励信号加载在激励线圈J6上。采集线圈T31-3，4为一路线圈，其中T31-4脚接VGND，T31的3脚通过电容C9连接到芯片U2A的3脚，U2A的3脚通过电阻R44连接到VGND上，U2A的4脚接A3.3V，U2A的11脚接AGND，U2A的2脚通过并联电阻R23和R43连接到VGND，通过电阻R11连接到U2A的1脚输出XIPUT信号连接到CPU。T31-1，2脚是另一路采集线圈T32，其中2脚接VGND，1脚通过电容C24连接到电阻R46一端，并且连接到U2D的12脚，R46的另一端接VGND。U2D的13脚通过并联电阻R45和R47接VGND。U2D的13脚通过电阻R24连接到U2D的14脚输出信号YINPUT，YINPUT的信号连接到CPU一脚。A3.3V电压通过电阻R38和电容C30连接到VGND，VGND通过电阻R40连接到AGND。VGND再通过并联电容C27和C15连接到AGND。

微处理器单元由芯片U3(STM32F415RGT6)用于整个信号的处理及输出信号的产生。其中U3的41脚用于产生TIM1_CH1，给激励电路提供激励方波。U3的5脚即OSC0连接到晶振芯片U4的1脚。U3的6脚OSC1连接到U4的3脚上，U4的1脚和2脚之间通过电容C10连接，U4的3脚和4脚之间通过电容C11连接。U4芯片为U3提供系统稳定的基准时钟。J2为USB接口，其中的1脚外接电源，2脚通过电阻R10连接到U3的44脚，3脚通过电阻R28连接到U3的45脚，4脚接GND，U3的45脚通过电阻R99和电阻R39连接到Q1的一脚，再通过电阻R37和R36连接到U3的35脚。J2和Q1实现本系统的USB接口电路。

XINPUT和YINPUT信号分别连接到U3的14脚和15脚，然后CPU对两个信号进行处理，最终有U3的38，39，40引脚输出CIN，BIN，AIN信号。

输出电路单元由芯片AM26LV31EIPE实现。其中U10的4脚，15，16脚接3.3V，U10的8脚接GND，CPU的AIN信号连接到U10的1脚，U10的2，3脚输出差分信号A+，A-。CPU的BIN信号连接到U10的7脚，U10的5，6脚输出差分信号B+，B-.CPU的CIN信号连接到U10的9脚，U10的10，11脚输出差分信号C+，C-。最终的A+，A-，B+，B-，C+，C-即为RS422信号，可以外接系统使用。

在一实施例中，所述感应单元为一磁性钢带，刚带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

本发明还提供一种实施例说明一种位移测量装置，如图7所示所述位移测量装置包括一感应装置与一读数头装置；如图6所示，所述读数头装置包括外壳(2)，PCB板(3)，磁性钢带(4)，软带(5)，钢片(6)；所述PCB板(3)通过电缆(1)外接电源，所述PCB板上装有检测电路，所述PCB板上装有磁性钢带(4)，所述软带(5)粘有规则绕制的线圈，与磁性钢带(4)固接在PCB板上，所述钢片(6)用于密封外壳；所述感应装置(7)为一磁性钢带，钢带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽(8)，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

在一实施例中所述感应装置上的镂空槽为腰形槽(8)。

本实施例的测量步骤为：读数头单元与被测物固结，上电后沿测量方向与感应单元做相对运动，电源接入读数头单元，读数头单元中激励线圈因位移磁场放生变化而产生激励信号，运放电路单元采集信号放大后经微处理器处理并经输出电路到信号输出端。

不难发现，本发明的位移测量系统采用激励线圈在磁场中的变化，双采集线圈感应激励信号并通过运放电路，再经过微处理器进行信号处理和计算，在位移测量过程中能更精准的定位位移，且由于本发明采用密封结构设置不受外部磁场的影响，能应用于各种测量环境，适用范围更广。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明的保护范围。对本领域普通技术人员来说，根据上述说明所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种位移测量系统，其特征在于：包括感应单元与读数头单元，所述读数头单元包括线圈，所述线圈包括激励线圈，采集线圈；其中采集线圈包括第一采集线圈和第二采集线圈；所述读数头单元还包括：

电源单元，包括第一芯片与第一稳压二极管，用于为电路供电；激励信号单元，包括第二芯片与第三芯片，用于产生激励信号，所述激励信号加载在所述激励线圈的两端；运放电路单元，包括第一运算放大器与第二运算放大器，用于放大采集线圈；微处理器单元，所述微处理器单元包括第四芯片，用于处理信号；输出单元，包括第五芯片，用于TTL信号的输出。

2.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述电源电路还包括第一电感在第一电容与第二电容之间，所述第一电感与第一芯片相连，所述第一芯片还与第一电阻及第三电容连接；所述第一电感还与第二电阻连接，所述第二电阻与第三电阻并联，所述第二电阻与第四电阻串联；所述第二电阻还与第一稳压二极管连接，所述第一稳压二极管与第五电阻，第六电阻并联，所述第五电阻与第六电阻互相串联，并与第四电容并联。

3.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述激励产生电路还包括第五电容接地，所述第二芯片与第七电阻，第八电阻，第九电阻并联，所述第七电阻，第八电阻，第九电阻串联，所述第二芯片还与第六电容连接，所述第二芯片还与第十电阻，第十一电阻串联，与第十二电阻串联；所述激励产生电路还包括第三芯片，所述第三芯片第二引脚与第十三电阻连接，所述第三芯片第三引脚与第七电容连接，所述第三芯片第四引脚与第十四电阻，第八电容，第十五电阻，第十六电阻连接，所述第十四电阻，第八电容，第十五电阻，第十六电阻串联。

4.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述运放电路具有第一运算放大器，第二运算放大器，所述第一运算放大器负输入端与并联的第十六电阻与第十七电阻连接，并通过串联第十八电阻与CPU连接，所述第一运算放大器正输入端与第十九电阻及第九电容连接，所述第九电容与第一采集线圈连接；所述第二运算放大器负输入端与与并联的第二十电阻与第二十一电阻连接，并通过串联第二十二电阻与微处理器连接，正输入端与第二十三电阻及第十电容连接，所述第十电容与第二采集线圈连接；所述第一采集线圈，第二采集线圈接入由第二十四电阻与第十一电容生成的参考电压，所述运放电路还包括第二十五电阻接地，第十二电容与第十三电容并联接地。

5.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述微处理器单元包括第四芯片，与电源电路，激励产生电路，运放电路和输出电路连接，还与第十四电容，第十五电容连接的晶振连接，并包括一USB电路，所述USB电路由一三极管接入电压，经由第二十六电阻接入微处理器，所述三极管与第二十九电阻并联，并通过串联第二十七电阻与第二十八电阻接USB，所述USB还由第三十电阻，第三十一电阻接入微处理器，并由第三十二电阻接通电源。

6.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述输出电路包括第五芯片，还具有四个电阻组成的联排电阻。

7.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于：所述感应单元为一磁性钢带，刚带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

8.一种位移测量装置，其特征在于：所述位移测量装置包括一感应装置与一读数头装置；所述读数头装置包括外壳，PCB板，磁性钢带，软带，钢片；所述PCB板通过电缆外接电源，所述PCB板上装有检测电路，所述PCB板上装有磁性钢带，所述软带粘有绕制的线圈，与磁性钢带固接在PCB板上，所述钢片用于密封外壳；所述感应装置为一磁性钢带，钢带上分布有多个规律排列相同形状的镂空槽，所述相同形状的镂空槽与读数头单元之采集线圈绕组相对应。

9.根据权利要求8所述的位移测量装置，其特征在于：所述感应装置上的镂空槽为腰形槽。