CN108195293A - 一种数字式位移传感器及其位移测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字式位移传感器及其位移测量方法，属于位移传感器技术领域，包括外壳和线路板，线路板设于外壳内，外壳设有窗口和开孔，线路板上设有信号采集模块、模拟前端电路，数字补偿电路和信号输出接口；实现一种根据结构可灵活选择固定传感器或固定被测物体，只需二者之间的相对移动即可进行测量的位移传感器，对被测物体材料等不限制，可灵活使用如钢带，铝板，塑料等材质，仅需表面涂敷相应条纹，传感器本身数字化处理，可数字补偿环境误差，传感器与被测物体件不接触，无机械磨损，使用寿命长，本发明的结构简单，成本低，传感器精度可通过放置多组传感元件调节，极大的降低了对传感器信号量稳定性的要求。

Description

一种数字式位移传感器及其位移测量方法
技术领域
本发明属于位移传感器技术领域，特别涉及一种数字式位移传感器及其位移测量方法。
背景技术
位移量是生产生活中比较常见的一种需被测量的物理量。通常做为位移测量的传感器包括光栅尺，容栅尺，电阻尺，或经过机械式扩展后的角度编码器(如拉绳编码器，角位移转线位移)等，且被广泛应用。在大多数应用场合，光栅、容栅等技术是以整体装备组件的型制存在的。例如测量时，需将整套光栅尺集成于半自动或自动化设备中。此种方式对自动化设备的结构有较强要求，且成本很高。
随着信息化，数字化的进程。传感器本身正逐渐从模拟类传感元件向数字化信号采集模块过渡。数字式的信号采集模块由于自身的运算补偿功能，且易于进行系统集成，应用越来越广泛。
在硬件设计上，将传感器获取到正弦信号转换为方波信号的过程是信号处理中必要的一个环节；但是光电传感器对于距离a的变化非常敏感，如图1所示，被测物体11距离传统传感器12的距离的变化对于产生的传感器信号影响极大，在最大信号区间，变化0.5mm将导致信号变化20％以上，当距离a较大时，光传感器的信号较弱，当距离a较小时，光传感器的信号较强。
传统的正弦信号转换方波信号的方法是将正弦信号和给定电压的直流信号输入到电压比较器来产生方波。但是由于距离的变化，正弦信号也会发生变化，当传感器信号处于峰值时，如果距离变小，信号波形下移，传感器的峰值电压可能会小于给定的固定电压。而当传感器处于谷值时，如果距离变大。信号波形上移，传感器的谷值电压可能会大于给定的固定电压。而且由于被测物体移动的速度比较快，无法快速，精准的自动调整一个合适的固定电压，以上因素导致传感器无法产生一个稳定的方波信号，从而导致了最终测量错误。
传统的方案是对一个传感器产生的信号进行信号处理，得出一个有效的信号。由于传感器产生的信号受到实际应用中很多因素的影响，例如，图1中距离a的影响，例如，相对被测物的移动速度的影响，例如，温湿度的影响，例如环境光的亮度，等等。这些影响会导致传感器产生的信号本身不稳定，由于传统的方案只对这个不稳定的信号本身进行处理，因而处理后的有效信号不能稳定的产生，从而可能会发生错误。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字式位移传感器及其位移测量方法，解决了传统技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种数字式位移传感器包括信号采集模块，该信号采集模块包括至少两个光电传感器，两个所述光电传感器用于分别获取第一信号和第二信号，并发送给信号处理单元，其中，所述第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，所述第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
信号处理单元，用于产生第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形。
数据处理单元，用于对第三信号的上升波形和下降波形进行计数实现长度测量结果的数字化。
本发明所述信号采集模块配置有模拟前端电路，所述信号采集模块和模拟前端电路构成信号采集单元，所述信号处理单元为比较器；
其中，所述模拟前端电路包括放大器及其外围电路，两个光电传感器分别连接一个模拟前端电路的输入端，两个模拟前端电路的输出端分别连接到比较器的正输入端和负输入端，比较器的输出端连接数据处理单元。
本发明还包括外壳和线路板，外壳设有窗口和开孔，所述线路板设于外壳内，所述线路板上集成所述数据处理单元、信号处理单元和信号采集单元，所述数据处理单元的信号输出接口连接一根通信线缆，通信线缆通过开孔伸出外壳。
本发明两个所述光电传感器均为反射式光遮断器。
本发明所述数字式位移传感器被配置以检测被测物体的长度，被测物体上设有测量涂层，测量涂层包括两种不同反射效率的条纹，且两种条纹宽度相同，检测时光电传感器通过感应所述测量涂层以获得信号。
本发明两个所述光电传感器的检测信号为正弦波信号，所述比较器输出的信号为方波信号，检测时两个所述光电传感器的正弦波信号的相位差为180度。
本发明还提供一种位移测量方法，使用上述的一种数字式位移传感器包括以下步骤：
1)测量时两个所述光电传感器分别得到第一信号和第二信号并发送给所述信号处理单元，其中，所述第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，所述第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
2)所述信号处理单元根据所述第一信号和第二信号得到第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形；
3)数据处理单元对第三信号的上升波形和下降波形进行计数并判断位移方向，实现长度测量结果的数字化。
本发明两个所述光电传感器均为反射式光遮断器，所述信号处理单元为比较器，所述数据处理单元为ARM控制器，两个所述光电传感器得到的第一信号和第二信号均为正弦波信号，所述比较器产生的第三信号为方波信号，所述ARM控制器对方波信号的上升沿和下降沿进行计数实现长度测量结果的数字化。
本发明测量时所述第一信号和第二信号之间的相位差为180度。
本发明的数字式位移传感器是通过两个互补的信号得到方波信号，测量更可靠，因为在测量时第三信号的产生是基于第一信号和第二信号的波形相交产生的，而第一信号和第二信号的波形相交位置取决于测量涂层上的亮层和暗层的宽度和距离，该宽度和距离是可以人为设计且具有恒定性，因此在同一时钟周期内，第三信号不会受到距离a变化的影响，假如图1中距离a产生变化，第一信号和第二信号的波形的振幅会同时变化，但是两个波形的相交位置不会变，因此第三信号本身不会受到影响。同样的道理，本发明的数字式位移传感器也不会受到被测物的移动速度、温湿度、环境光的亮度等因素的影响。
本发明所述的一种数字式位移传感器及其位移测量方法，实现一种根据结构可灵活选择固定传感器或固定被测物体，只需二者之间的相对移动即可进行测量的位移传感器，对被测物体材料等不限制，可灵活使用如钢带，铝板，塑料等材质，仅需表面涂敷相应条纹，传感器本身数字化处理，可数字补偿环境误差，传感器与被测物体件不接触，无机械磨损，使用寿命长，本发明的结构简单，成本低，传感器精度可通过放置多组传感元件调节，极大的降低了对传感器信号量稳定性的要求。
附图说明
图1是背景技术的附图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的信号采集模块的电路图；
图4是本发明的计算光电传感器之间间距的数学模型图；
图5是本发明的第一信号、第二信号和第三信号的波形示意图。
图中：光电传感器1、外壳2、线路板3、通信线缆4、测量涂层5、窗口6、开孔7、被测物体11、传统传感器12。
具体实施方式
如图2-4所示的一种数字式位移传感器包括信号采集模块、信号处理单元和数据处理单元。
该信号采集模块包括至少两个光电传感器，两个光电传感器用于分别获取第一信号和第二信号并发送给信号处理单元，其中，第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
信号处理单元用于产生第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形，需要说明的是，也可以通过软件方法或者软硬件结合的方式使得第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的上升波形，在第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的下降波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形。
数据处理单元用于对第三信号的上升波形和下降波形进行计数实现长度测量结果的数字化。
其中，信号采集模块配置有模拟前端电路，信号采集模块和模拟前端电路构成信号采集单元，信号处理单元为比较器，需要说明的是，本实施例的信号处理单元包括但不限于比较器，其他通过软件或软硬件结合实现比较器功能的模块都包含在内，对此不作限制；
其中，模拟前端电路包括放大器及其外围电路，两个光电传感器分别连接一个模拟前端电路的输入端，两个模拟前端电路的输出端分别连接到比较器的正输入端和负输入端，比较器的输出端连接数据处理单元，具体地，参见图3，两个光电传感器分别为第一光电传感器U1和第二光电传感器U2；第一光电传感器U1和第二光电传感器U2的输出端分别通过两个放大器连接比较器IC1的正输入端和负输入端，比较器IC1的输出端连接信号输出接口。
本实施例的数字式位移传感器还包括外壳2和线路板3，外壳2设有窗口6和开孔7，线路板3设于外壳2内，线路板3上集成数据处理单元、信号处理单元和信号采集单元，数据处理单元的信号输出接口连接一根通信线缆4，通信线缆4通过开孔7伸出外壳2。
本实施例的数据处理单元为ARM控制器，两个光电传感器均为反射式光遮断器。
本实施例的数字式位移传感器被配置以检测被测物体的长度，参见图2和4，被测物体上设有测量涂层5，测量涂层5包括两种不同反射效率的条纹，且两种条纹宽度相同，检测时光电传感器通过感应测量涂层5以获得信号，优选的，信号采集模块与被测物体11之间间隔0.1mm～5mm间距，例如，测量涂层5包括亮层和暗层，亮层使用亮色颜料印刷在被测物体上，暗层使用深色颜料印刷在被测物体上，光电传感器感应被测物体上的亮层和暗层得到信号，当然测量涂层5的制作方法和采用的涂层并不限于此。
本实施例的两个光电传感器的检测信号为正弦波信号，比较器输出的信号为方波信号，检测时两个光电传感器的正弦波信号的相位差为180度，需要说明的是，正弦波信号和方波信号仅是一种实施方式。
为了能够得到相应的180度相位差，本实施例的光电传感器的距离的设计方法如下：d＝h+x·2·h，其中，d为两个光电传感器的中心点的距离，h为单个条纹的宽度，x为自然数，其物理意义为周期数，结合图4可知，亮层和暗层两个条纹可以让光电传感器获得一个周期的正弦波波形，那么半个周期的长度为h，这样通过该公式可以确定两个光电传感器的中心点的距离为(2·x+1)h，即当两个光电传感器的中心点的距离为半周期长度的奇数倍时就可保证两个信号的相位差为180度。
为了提高测量精度，本实施例可采用多个数据采集单元进行数据采集，然后得到多个方波信号并产生最后的结果，具体设计方法如下：1、先确定测量精度，测量精度为D＝h/n，n为数据采集单元的个数，在数字式位移传感器的测量精度设定好之后，可以结合实际需要调整条纹的宽度和数据采集单元的个数，最终确定合理的条纹宽度以及数据采集单元的个数；2、确定数据采集单元的距离：d’＝h/n+x·2·h，其中，d’为两个数据采集单元的中心点的距离，h为单个条纹的宽度，x为自然数，其物理意义为周期数。
本发明的数字式位移传感器是通过两个互补的信号得到方波信号，测量更加可靠，参见图5，因为在测量时第三信号的产生是基于第一信号和第二信号的波形相交产生的，而第一信号和第二信号的波形相交位置取决于测量涂层5上的两种条纹的宽度以及其距离，该宽度和距离是可以人为设计且具有恒定性，因此在同一时钟周期内，第三信号不会受到距离a变化的影响，假如图1中距离a产生变化，第一信号和第二信号的波形的振幅会同时变化，但是两个波形的相交位置不会变，因此第三信号本身不会受到影响。同样的道理，本发明的数字式位移传感器也不会受到被测物的移动速度、温湿度、环境光的亮度等因素的影响。
参见图5，本实施例还提供一种位移测量方法，使用上述一种数字式位移传感器，包括以下步骤：
1、测量时两个光电传感器分别得到第一信号和第二信号并发送给信号处理单元，其中，第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
2、信号处理单元根据第一信号和第二信号得到第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形；
3、数据处理单元对第三信号的上升波形和下降波形进行计数实现长度测量结果的数字化。
使用时，数字式位移传感器与被测物体无接触，且保持固定距离。被测物体表面均匀涂敷两种或多种不同反射效率的条纹或图案，如黑白相间的条纹图案。当数字式位移传感器与被测物体之间产生相对位移时，条纹相对信号采集模块移动，信号采集模块发射的光信号产生变化，从而检测到脉冲信号或正弦信号，再通过信号处理单元和数字处理单元分析出运动方向及该垂直于条纹方向的位移量。
传感器所测量的线位移量为传感器本体与被测物体间的相对位移量，即无论固定传感器本体，还是固定被测物体，只要存在相对位移，即可测出位移量。
本发明以两个光电传感器1为一组构成信号采集模块，即第一光电传感器U1和第二光电传感器U2，将它们产生的正弦信号直接作为电压比较器IC1的输入，通过这种方式可以产生稳定的方波信号：当图1中的距离a发生变化时，比较器IC1的两个输入会同时变化。保持一定的同步性。因此这种方式可以很好的对距离产生的作用进行补偿。当距离a发生变化时，两个光电传感器1产生的电压信号会同时上移或者下移。
由于两个光电传感器1相差180度的相位。当第一光电传感器U1产生的电压信号处于峰值时，第二光电传感器U2产生的电压信号是处于谷值的，所以第一光电传感器U1产生的电压信号一定会大于第二光电传感器U2的产生的电压信号，而当第一光电传感器U1产生的电压信号处于谷值时，第二光电传感器U2产生的电压信号处于峰值，所以第一光电传感器U1产生的电压信号一定会小于第二光电传感器U2产生的电压信号，这样两个光电传感器获得的正弦波信号会产生周期性的相交，根据周期性相交的特征可以产生稳定的方波信号，为了进一步提高精度，可以采用多个信号采集模块产生的多个方波信号产生最后的结果。
本发明的一种数字式位移传感器及其位移测量方法，实现了根据结构可灵活选择固定传感器或固定被测物体，只需二者之间的相对移动即可进行测量，对被测物体材料等不限制，可灵活使用如钢带，铝板，塑料等材质，仅需表面涂敷相应条纹，传感器本身数字化处理，可数字补偿环境误差，传感器与被测物体件不接触，无机械磨损，使用寿命长，本发明的结构简单，成本低，传感器精度可通过放置多组传感元件调节，极大的降低了对传感器信号量稳定性的要求。

Claims (9)

1.一种数字式位移传感器，其特征在于：包括：
信号采集模块，该信号采集模块包括至少两个光电传感器，两个所述光电传感器用于分别获取第一信号和第二信号并发送给所述信号处理单元，其中，所述第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，所述第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
信号处理单元，用于产生第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形。
数据处理单元，用于对第三信号的上升波形和下降波形进行计数实现长度测量结果的数字化。
2.如权利要求1所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：所述信号采集模块配置有模拟前端电路，所述信号采集模块和模拟前端电路构成信号采集单元，所述信号处理单元为比较器；
其中，所述模拟前端电路包括放大器及其外围电路，两个光电传感器分别连接一个模拟前端电路的输入端，两个模拟前端电路的输出端分别连接到比较器的正输入端和负输入端，比较器的输出端连接数据处理单元。
3.如权利要求1所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：还包括外壳(2)和线路板(3)，外壳(2)设有窗口(6)和开孔(7)，所述线路板(3)设于外壳(2)内，所述线路板(3)上集成所述数据处理单元、信号处理单元和信号采集单元，所述数据处理单元的信号输出接口连接一根通信线缆(4)，通信线缆(4)通过开孔(7)伸出外壳(2)。
4.如权利要求1所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：两个所述光电传感器均为反射式光遮断器。
5.如权利要求2所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：所述数字式位移传感器被配置以检测被测物体的长度，被测物体上设有测量涂层(5)，测量涂层(5)包括两种不同反射效率的条纹，且两种条纹宽度相同，检测时光电传感器通过感应所述测量涂层(5)以获得信号。
6.如权利要求5所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：两个所述光电传感器的检测信号为正弦波信号，所述比较器输出的信号为方波信号，检测时两个所述光电传感器的正弦波信号的相位差为180度。
7.一种位移测量方法，使用如权利要求1所述的一种数字式位移传感器，其特征在于：包括以下步骤：
1)测量时两个所述光电传感器分别得到第一信号和第二信号，并发送给所述信号处理单元，其中，所述第一信号具有波峰和波谷且呈周期性分布，所述第二信号与第一信号的波形相同，且在同一个时钟周期内第一信号的波峰对应第二信号的波谷；
2)所述信号处理单元根据所述第一信号和第二信号得到第三信号，在同一个时钟周期内，第一信号和第二信号的波形的第一个相交点处产生第三信号的下降波形，第一信号和第二信号的波形的第二个相交点处产生第三信号的上升波形，从而形成一个时钟周期内的第三信号的波形；
3)数据处理单元对第三信号的上升波形和下降波形进行计数实现长度测量结果的数字化。
8.如权利要求7所述的一种位移测量方法，其特征在于：两个所述光电传感器均为反射式光遮断器，所述信号处理单元为比较器，所述数据处理单元为ARM控制器，两个所述光电传感器得到的第一信号和第二信号均为正弦波信号，所述比较器产生的第三信号为方波信号，所述ARM控制器对方波信号的上升沿和下降沿进行计数实现长度测量结果的数字化。
9.如权利要求7或8所述的一种位移测量方法，其特征在于：测量时所述第一信号和第二信号之间的相位差为180度。
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