CN1062071C - 测量位移的方法及位移传感器 - Google Patents

Abstract

测量位移的方法及位移传感器属于位移精密测量的方法及装置。本发明所述方法包括建立两套坐标系，在其中一套坐标系中设立时间考查点，建立位移与匀速和时钟脉冲累积表示的时间差之间的数学模型；本发明所述的装置包括时空信号转换装置的输入端分别与时钟和位移发生装置连接，其输出端与波形整理电路连接。本发明能精密测量位移，易于加工，结构简单，抗干扰，且易于智能化。

Description

测量位移的方法及位移传感器

本发明属于位移精密测量的方法及装置

位移的精密测量为了满足量程、精度和自动电气测量的要求，往往采用增量式的栅式测量方法，即把总的测量长度按照栅距分割成许多小长度、再用增量的方式累积求和。如大量使用的光栅、磁栅、容栅、感应同步器(即电栅)、激光等，每过一个栅距(即电信号周期)，发出一个位移脉冲信号P_x，再用计数器对P_x求和即可。其数学模型为： $x=\∫\mathrm{vdt}=\∫\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\∫\mathrm{dx}=\∑\mathrm{\Δx}=\∑W=W\∑P_X---\left(1\right)$

式中：x-位移，v-任意运动速度，W-栅距，P_x-位移脉冲

可以看出这种方法的特点是：测量与运动速度v无关，测量的精度与分辨率取决于栅距W。因此必须刻线更精确、更密(即单位长度刻线数更多)，导致生产困难，成本高，且刻线越密越容易受污染干扰。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，而提出了一种测量位移的方法及位移传感器，实现位移精密测量，简化结构，易于加工，降低成本，抗干扰和易于智能化。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一、对测量位移的方法，采用相对静止的和以匀速V运动的两套坐标系，其中静止的一套带有确定的时间考查点。当质点P的位移用运动的一套坐标系的坐标值表示，其大小等于P点和该坐标系上参考点(如坐标原点)分别到达静止坐标系上时间考查点的实际时间T_i和参考时间T_o之差与运动速度V的乘积，即x=V(T_i-T_o)。其中运动坐标系可以由以T_o为固定周期的时间坐标系等效代替，时空两种坐标系的关系为V=W/T_o。其详细推导如下：

1、建立相对静止和以匀速V运动的两套坐标系S和S’。

根据经典力学中关于狭义相对论一节中的伽里略变换式，只讨论一维情况，可知位移在两坐标系中的互换关系为：

       x=x′+Vt                                               (2)

       x′=x-Vt                                               (3)

其中：x-用静止坐标系S表征的位移量，

x’-用匀速运动的坐标系S’表征的位移量，

V-S’的运动速度，t-时间

2、现在静止坐标系S中距参考点(如原点o)W处增设一“时间考查点”如图1，若已知t=0时，两坐标系原点重合，并且质点P点在S’上无位移(即x’=0)，则P点将与o’点在t=T_o时刻同时到达考查点，根据(2)式有：W=0+VT_o即W=VT_o或 $V=\frac{W}{T_o}---\left(4\right)$

T_o称为参考时间，表示P点原始位置所在的参考点(此处为O’点)到达考查点的时间。

如图2所示，如果P点发生位移x’而不再与o’点重合，它到达考查点的时间将变为T_i，我们称之为实际时间，根据(2)式和(4)式可推出

因此，P点在s’坐标系上的位置之差(位移)变成了s坐标系上考查点处的时间之差。因为两套坐标系是相对运动的概念，可以认为其中任意一套在动而另一套不动，并且P点位移由哪一套坐标表示，P点朝哪个方向移动，都可能引起(5)式有正、负号的差异，因此可将(5)式更一般地表示为

   x=V(T_i-T_o)=V△T=V∑P_t                                     (6)

式中△T为一段时间差，它可由若干时钟脉冲求和得到，常数V在这里相当于时钟脉冲P_t的“空间当量”，即达到“使时钟脉冲具有空间意义”的目的。

如图3所示，如果在S轴上等间隔地设置多个考查点，就可以连续不断地对P点的位移情况进行采样，并以(6)式表示出来，此时i=1，2，3……，达到“用时间测量空间位移”的目的。

因为运动是相对的，质点和考查点也是相对的，按空间等分的坐标轴再按匀速前进经过一固定点的时间又是相同的，因此上例可以有多种等效形式，如图4～图7所示。

以上讨论是以直线运动为例，对于回转运动同样适用，此时V代表匀速圆周运动速度，x代表角位移，改用符号△θ，其余推导不变。

以上讨论是以直角坐标系为例，对其它能与直角坐标系等效变换的任何坐标系，如圆柱坐标系、球坐标系等，同样适用。

二、对于位移传感器，包括时空信号转换装置、时钟和波形整理电路，时空信号转换装置的输入端分别与时钟和位移发生装置连接，其输出端与波形整理电路连接。其中时空信号转换装置包括带时间考查点的相对运动双坐标系，与该坐标系输出端连接的信号放大整形电路，与该电路的输出端连接的定时器计数器芯片，与该芯片写入端和读出端连接的微处理器。

时钟信号P_t输入该装置定时器计数器芯片的一信号输入端，而该芯片的输出端输出位移信号脉冲P_x，即完成从时间信号P_t到位移信号P_x的转换。P_x信号再与波形整理电路相联，可分别输出方波和正弦波。

下面结合附图予以具体描述：

在图13中，位移传感器中的双坐标系由定测头，电机，金属框、摇臂和动测头组成；而信号与数据处理部份由信号放大整形电路、定时器计数器芯片和微处理器组成，该传感器还包括时钟和波形整理电路。

图8、图9反映了时栅传感器的机械部份安装及其双坐标系的构成。首先，普通机械分度转台[3]、[4]被四根支柱[2]支撑在一块金属平板[1]上，然后，时栅传感器中的电机[9]安装在平板中部，位于支柱之间，电机轴与转台转子轴同心；电机轴上安装一角形金属框[6]，并随电机以匀速V转动；在转台转子轴的下端安装一角形摇臂[5]，该摇臂下端连接动测头[7]，使动测头随转台转子以任意速度v和任意方向同步转动。板上还装有与角形摇臂半径相同，且与动测头位置相对的定测头。

当输出方形波时，在时空信号转换装置的输出端连接有触发器。

当输出正弦波时，在触发器后连接带通滤波器。

当需显示数据时，可在微处理器上连接数据显示器。

测量时，开动电机，角形金属框[6]以匀速V转动，动测头随转台以任意速度v和任意方向转动，目的要测量转台的角位移，当角形框掠过动测头a和定测头b时，分别感应出电信号并经整理成脉冲信号P_a和P_b，如图10所示。其中与大地保持静止的定测头，其参考信号P_b将保持相位不动，而与转台同步旋转的动测信号P_a，将随a相对于b的空间位置差△θ而反映为相对于P_b的时间相位差△T=T_i-T_o，(在这种简单的情况下，360°空间角度正好与360°电角度(时间角度)在数值上一致)，于是可以通过比较两路脉冲信号前沿的时间差，即比相求得转台的转角 $\mathrm{\Δ\θ}=\frac{W}{T_0}(T_i-T_0)=\mathrm{V\Δ}{T}_i=\mathrm{V\Σ}{P}_t---\left(7\right)$

这时对应的双坐标系如图11所示，大地(平板)为S，动测头a为运动质点，定测头b为S参考点(或原点)，匀速旋转的金属框构成W=360°的带时间考查点的S’坐标系，由于旋转而周期性地考查b点与a点的到达时间T_o和T_i。

由微机处理器配合可编程定时器计数器芯片如8253，即可实现(7)式运算并输出具有空间意义的位移脉冲P_x，从而构成“时空信号转换装置”，简称TST装置，即输入TST的是位移量△θ和时钟信号P_t，而输出的是位移信号P_x。

采用这种TST装置，再配合波形整理电路，最后构成时栅位移传感器，其框图如图12所示，电路图如图13所示。它可以像光栅等位移传感器一样，随着位移量的增加而不断输出方波或正弦波信号，也可以通过数显装置不断显示角位移瞬时值。

图1：带时间考查点的相对运动双坐标系；图中P点无位移，参考点选在原点；

图2：P点有位移；

图3：多考查点对单质点的考查；

图4：单考查点对多质点的考查；

图5：多考查点对多质点的考查；

图6：由等时间间隔的时间坐标系构成的带时间考查点的运动坐标系对单质点的考查；

图7：时间坐标系对多质点的考查；

图8：时栅位移传感器中双坐标系主视图；

图9：图8的俯视图；

在图8、图9中：1.金属平板2.支柱3.转台定子(外壳)4.转台转子5.摇臂

6.金属框7.动测头a 8.定测头b 9.电机Pa-动测头电信号，Pb-定测头

电信号，v-转台任意速度，V-电机恒速度，△θ-动测头相对于定测头的角

位移，即转台转子相对于外壳参考点(b所在点)的角位移；

图10：感应信号时域图，

P_a-动测头信号，P_b-定测头信号，t-时间，T_o-参考时间，T_i-第i次采样

实际时间，T_i+1-第i+1次采样实际时间，△T_i-第i次采样时间差，△T_i+1-

第i+1次采样时间差；

图11：与图8至图10反映的实施例对应的“带时间考查点的相对运动双坐标系”；

S-静止坐标系，a-动测头代表的转台转子角位置，b-定测头代表的转台外壳

参考点，S’-电机以匀速V运动并以金属框形成W=360°等分考查点后综合形

成的运动坐标系；

图12：时栅位移传感器原理框图；

图13：时栅位移传感器电路图。

本发明用廉价的，便于获取的时钟信号转换为空间位移信号，进行位移的精密测量，易于加工、降低成本、结构简单、抗干扰和易于智能化。

Claims (4)

1、一种测量位移的方法，其特征在于：

(1)建立相对静止和以匀速V运动的两套坐标系S和S’，得到位移在两套坐标系中的互换关系；

(2)在静止坐标系S距参考点W处设立时间考查点，考查动坐标系S’的质点和参考点到达考查点的时间差；

(3)将动坐标系S’中的质点P点与参考点的位置差x’，转由P点和参考点分别到达静止坐标系S上考查点的时间T_i和T_o之差与速度V的乘积表示，并将时间T_i和T_o之差用时钟脉冲求和表示

   x=V∑P_t

其中    x-位移    V-运动坐标系运动速度

        ∑P_t-由时钟脉冲累积表示的时间差。

2、一种位移传感器，包括时钟与波形整理电路，其特征在于时空信号转换装置的输入端分别与位移发生装置和时钟连接，其输出端与波形整理电路连接。

3、根据权利要求2所述的位移传感器，其特征在于时空信号转换装置包括带时间考查点的相对运动双坐标系，与该坐标系输出端连接的信号放大整形电路，与该电路的输出端连接的定时器计数器芯片，与该芯片写入端和读出端连接的微处理器。

4、根据权利要求3所述的位移传感器，其特征在于带时间考查点的相对运动的双坐标系包括装在转台转子轴的下端的角形摇臂，装在该摇臂下端的动测头，电机轴上装有一角形金属框，转台转子轴与电机轴同心且电机装在板中部，板上装有与角形摇臂半径相同，且与动测头位置相对的定测头。

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