CN107091941A - 基于反射式光栅尺的高精度加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射式光栅尺的加速度传感器，包括：外壳、导轨、信号生成模块、反射式光栅尺、限位机构、信号处理模块、蓝牙模块、电源模块、顶盖和导轨滑块，信号生成模块粘贴在外壳内部，导轨固定在外壳内部的凸台上，导轨上装配有导轨滑块，导轨的两端各具有一个用来限制导轨滑块滑程的限位机构，反射式光栅尺粘贴在导轨滑块下面，信号处理模块和电源模块位于外壳底部的两侧，蓝牙模块焊接在信号处理模块上，外壳的顶部设置有顶盖。本发明设计简单、结构紧凑、灵敏度高、成本较低并以蓝牙传输方式测量加速度，在某些领域可以代替代较为昂贵的加速度传感器。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域，特别是涉及一种基于反射式光栅尺的加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，高精密加速度计还能应用于飞机或导弹的惯性导航系统中，其具有姿态检测、运动检测等功能。
精密反射式光栅尺作为一种直线位移检测的重要元件，经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，作为一种直线位移测量反馈装置，其测量输出的信号为数字脉冲信号，可进行灵活的数字化处理，具有检测范围大、检测精度高、响应速度快、抗干扰能力强等诸多优点。
光栅可以应用于加速度的测量，目前基于光栅的加速度传感器中大多数使用的是光纤光栅，通过测量光纤光栅的中心反射波长来获得加速度信息，中心反射波长变化的测量需要使用专门的测量仪器，例如光纤光谱仪、波长解调仪等，这类仪器通常比较昂贵，无形中增加了测量成本。因此，设计一种基于低成本的反射式光栅尺的加速度传感器，具有很好的应用推广价值。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于反射式光栅尺的加速度传感器，设计简单、结构紧凑、灵敏度高、成本较低。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于反射式光栅尺的加速度传感器，包括：外壳、导轨、信号生成模块、反射式光栅尺、限位机构、信号处理模块、蓝牙模块、电源模块、顶盖和导轨滑块，信号生成模块粘贴在外壳内部，导轨固定在外壳内部的凸台上，导轨上装配有导轨滑块，导轨的两端各具有一个用来限制导轨滑块滑程的限位机构，反射式光栅尺粘贴在导轨滑块下面，信号处理模块和电源模块位于外壳底部的两侧，蓝牙模块焊接在信号处理模块上，外壳的顶部设置有顶盖。
在本发明一个较佳实施例中，所述的限位机构包括弹簧和用来固定弹簧的弹簧挡块。
在本发明一个较佳实施例中，所述的导轨通过螺钉固定在外壳内部的凸台上。
在本发明一个较佳实施例中，所述的反射式光栅尺为钢带光栅尺，光栅栅距20μm。
在本发明一个较佳实施例中，所述的弹簧为圆锥压缩弹簧，安装时弹簧处于预紧状态。
在本发明一个较佳实施例中，所述的电源模块为安装有纽扣电池的电路板，通过FFC柔性扁平电缆与信号处理模块和信号生成模块连接。
本发明的有益效果是：本发明设计简单、结构紧凑、灵敏度高、成本较低并以蓝牙传输方式测量加速度，在某些领域可以代替代较为昂贵的加速度传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为是本发明一较佳实施例的整体结构图；
图2为图1的结构拆解示意图；
附图中各部件的标记如下：1、外壳，2、导轨，3、信号生成模块，4、反射式光栅尺，5、弹簧挡块，6、弹簧，7、信号处理模块，8、蓝牙模块，9、电源模块，10、顶盖，11、导轨滑块。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图2，本发明实施例包括：
一种基于反射式光栅尺的加速度传感器，包括：外壳1、导轨2、信号生成模块3、反射式光栅尺4、限位机构、信号处理模块7、蓝牙模块8、电源模块9、顶盖10和导轨滑块11，信号生成模块3粘贴在外壳1内部，导轨2通过螺钉固定在外壳1内部的凸台上，导轨2上装配有导轨滑块11，导轨2的两端各具有一个用来限制导轨滑块滑程的限位机构，反射式光栅尺4粘贴在导轨滑块11下面，信号处理模块7和电源模块9位于外壳1底部的两侧，蓝牙模块8焊接在信号处理模块7上，外壳1的顶部设置有顶盖10，所述的限位机构包括弹簧6和用来固定弹簧6的弹簧挡块5。
其中，外壳1尺寸为40mm×22mm×11mm，顶盖10尺寸为40mm×22mm×2mm；所述的导轨为精密交叉滚柱导轨副，交叉滚柱导轨副选用GMT公司的GRD01-20交叉滚柱导轨，最大行程8mm，具有高刚性、低噪音的优点，其摩擦抵抗非常微小且启动摩擦抵抗与运动摩擦抵抗几乎没有差异，即使微量的移动也能保证正确的循迹性，能够满足本应用中高精度的直线运动要求；所述的反射式光栅尺4为钢带光栅尺，光栅栅距20μm，所述的弹簧6为圆锥压缩弹簧，安装时弹簧6处于预紧状态；蓝牙模块8选用TI公司的CC2540型号蓝牙芯片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程序在一个元件上，是一个超低功耗的真正系统级芯片，即使在纽扣电池供电情况下也能保证较长时间的使用；所述的电源模块9为安装有纽扣电池的电路板，纽扣电池采用型号为松下CR2032的纽扣电池，电压3V，直径20mm，厚度3.2mm，成本低，供电方便且易更换，电源模块9同时给信号生成模块3、信号处理模块7和蓝牙模块8供电，它们之间通过FFC柔性扁平电缆连接；所述的信号生成模块3同时集成光源、指示光栅和光电传感器。
基于反射式光栅尺的加速度传感器在出厂前需对反射式光栅尺进行标定，因为不同的反射式光栅尺存在微小差异，这些差异需要在程序中进行误差补偿，因此需针对每一个特定的反射式光栅尺都需要进行标定。反射式光栅尺标定主要是包括两部分：1、物理结构的标定，主要是反射式光栅尺4与信号生成模块3之间的相对位置的标定，他们之间的间隙有一个最佳值；2、光栅信号处理程序的标定，主要是误差补偿。
标定好后，将基于反射式光栅尺的加速度传感器安装在待测物体上，安装时尽量使导轨滑块11滑动方向与需要测量的加速度方向一致，然后，打开电源模块和蓝牙模块，通过蓝牙使基于反射式光栅尺的加速度传感器与外部便携式笔记本电脑进行通信。
本发明基于反射式光栅尺的高精度加速度传感器的基本工作原理：
首先，由反射式光栅尺4测出导轨滑块11的微位移量x，然后根据已知的弹簧弹性系数k，得到导轨滑块11和反射式光栅尺4组成的模块惯性力的大小F=-kx，最后，根据导轨滑块11和反射式光栅尺4组成模块的质量为m以及得到的F，可以得出加速度为a=F/m。
测量加速度的基本过程：首先，被测物的振动传给基于反射式光栅尺的加速度传感器外壳1，基于反射式光栅尺的加速度传感器将随着被测物体而发生振动；然后，由于弹簧6以及导轨副的共同作用，导轨滑块11将沿着导轨2方向进行来回振动，导轨2起到了限制导轨滑块11运动方向的作用，保证了安装在导轨滑块11下面的反射式光栅尺4的运动方向以及反射式光栅尺4与信号生成模块3之间的相对间隙的稳定，利于输出稳定且分辨率高的光栅信号，这时反射式光栅尺4相对于信号生成模块3也产生相同的相对位移变化，信号生成模块3将生成的光栅信号传输给信号处理模块7，信号处理模块7对光栅信号进行处理，得到位移信息；接着，根据胡克弹性定律，弹簧6受到的力越大，变形越大，在弹性限度内，弹簧长度x的变化量和它受到的力F存在一定的比例关系，即F=-kx，其中k为弹簧弹性系数，它由材料的性质决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。这样就可以由之前的位移信息得到力F，最后，根据牛顿第二定律，物体的加速度a的大小跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即计算出加速度a=F/m，质量m为反射式光栅尺4和导轨滑块11共同的质量；加速度信息通过蓝牙模块8发送出来。
本发明基于反射式光栅尺的高精度加速度传感器的有益效果是：
1、主尺光栅选用反射式光栅尺，易于制造且精度高，有利于提高检测的灵敏度及精度；光栅尺栅距20微米，细分后分辨率可达50nm，分辨率高。
2、信号模块上同时集成了光源、指示光栅和光电传感器，具有结构紧凑、传感器体积小、抗干扰能力强等优点，可广泛用于各种检测环境恶劣以及对传感器尺寸要求严格的工程领域。
3、将反射式主尺安装在高精密交叉滚柱导轨副上，整体稳定性高。
4、选用蓝牙模块作为信号输出方式，免去了使用线缆的麻烦，传感器整体尺寸小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，包括：外壳、导轨、信号生成模块、反射式光栅尺、限位机构、信号处理模块、蓝牙模块、电源模块、顶盖和导轨滑块，信号生成模块粘贴在外壳内部，导轨固定在外壳内部的凸台上，导轨上装配有导轨滑块，导轨的两端各具有一个用来限制导轨滑块滑程的限位机构，反射式光栅尺粘贴在导轨滑块下面，信号处理模块和电源模块位于外壳底部的两侧，蓝牙模块焊接在信号处理模块上，外壳的顶部设置有顶盖。
2.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的限位机构包括弹簧和用来固定弹簧的弹簧挡块。
3.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的导轨通过螺钉固定在外壳内部的凸台上。
4.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的导轨为精密交叉滚柱导轨副。
5.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的反射式光栅尺为钢带光栅尺，光栅栅距20μm。
6.根据权利要求2所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征于，所述的弹簧为圆锥压缩弹簧，安装时弹簧处于预紧状态。
7.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的电源模块为安装有纽扣电池的电路板，通过FFC柔性扁平电缆与信号处理模块和信号生成模块连接。
8.根据权利要求1所述的基于反射式光栅尺的加速度传感器，其特征在于，所述的信号生成模块同时集成光源、指示光栅和光电传感器。
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