CN1097864A

CN1097864A - 磁栅数显长度计量器具

Info

Publication number: CN1097864A
Application number: CN 93108665
Authority: CN
Inventors: 陆济群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-20
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1995-01-25

Abstract

本发明属于测量技术领域，它是利用磁记录原理，在长度测量上的应用，主要技术特征是：在测量器具相对运动的一方安装磁头A与磁头B，电路板，液晶显示器，电池，在另一方涂覆永磁材料磁层使之构成磁道Wa与磁道Wb，磁道Wa，Wb由等间隔极性相反的小永久磁铁构成，当存在相对运动，磁头线圈感应出的脉冲电压信号，经信号放大处理电路，脉冲合成与方向判别电路控制计数器计数，由液晶显示器显示输出，采用这一原理制成磁栅数显卡尺，磁栅数显丝杠万分尺。

Description

本发明属于测量技术领域，长度计量器具。本发明是利用磁记录的原理与技术在测量技术领域应用。磁栅测量原理的发明可以使长度测量精度提高测量电路简化测量数显器具成本降低，更便于推广应用各种数显测量器具。

目前测量技术领域，长度的测量最为普遍的采用机械方法，游标卡尺是其中的一种，也有采用精密丝杠制成千分尺。这些测量工具原理与使用都很简单，但测量精度受到一定的限制。另一类长度测量仪器如采用电感式（或电容式）位移传感器，光栅位移传感器，可以把测量精度提高到1微米。但需要较为复杂的电路与光学设备并且成本较高。八十年代初期瑞士TIMOS/SYIVAC公司发明了容栅数显长度计量器具，并且获得了很大的发展。目前市场上流行的数显器具都为这一原理制造。但这种容栅计量器具精度仍受到限制。成本亦较高。同时在使用上容易受到污染，使用范围亦较小。

本发明是采用了磁记录的原理发展起的一种磁栅长度测量技术，它可以使数显计量器具的精度提高一个数量级。成本下降，它具有光栅与容栅共同的特点。

磁记录原理在录音与录像领域发展已有半个多世纪的历史并已发展到相当高的水平。最近二十年来，磁记录在计算技术中数据的储存与读出技术得到了飞速的发展。计算机硬盘，软盘存储容量与存储密度已经达到了很高的水平。本发明就是把磁记录技术应用到长度测量领域，发明一种类似光栅的磁栅测量技术。

作为一个例子，我们参看图1磁栅数显卡尺，它是由：1.刀口内量爪2.滑动尺3.磁头A，B4.液晶显示器5.深度尺6.定尺7.深度尺槽8.外量爪9.磁道Wa，Wb10.公制英制转换按钮11.置零按钮12.电路板13.集成电路元件等构成。在磁栅数显卡尺的定尺上选择非导磁材料铝合金（或不锈钢）作为基底。在定尺的深度尺槽内涂复一层永磁性材料（磁粉r.三氧化二铁）。磁层的厚度约1-3微米，磁层必须具有好的平整度与耐磨性。在磁层表面复盖一层碳保护层，保护层厚0.5-1微米。

在游标卡尺的滑尺上安装两个磁头A，B。磁头嵌在定尺的深度尺槽内，两个磁头都有自己独立的磁道Wa，Wb，互不影响。磁头的间隙紧贴在定尺深度尺槽内永磁材料的磁层上。在滑尺上同时安放两个磁头A，B的处理电路，计数器，显示器及电池。当滑尺移动，磁头A，B跟着移动。

图2表示了磁栅数显长度测量系统的原理方块图，它由定尺的磁道Wa与磁道Wb滑尺的磁头A，B及信号放大处理电路F1，F2，脉冲合成方向判别电路S，公制和英制计数电路C1，C2，液晶显示屏P及钮扣电池Ba组成。

定尺的磁道Wa与磁道Wb位于定尺的深度尺槽内，（参看图3）磁道永磁层事先经专门的仪器进行磁化。对应于两个磁头下的磁层为相等长度的N-S与S-N小永久磁铁，两个磁头下磁层中小永久磁铁在位置上相差b/2（b为小永久磁铁长度）。

当滑尺以速度V运动时，由于磁道中的小永久磁铁的存在，使磁头感应出一系列的脉冲电压，（参看图4）这些脉冲经过放大与处理电路，变成方波与计数合成的脉冲。由于磁头A与磁头B位置上相差b/2。在形成的方波相位相差1/4周期。每个磁头感应绕组采用中心抽头接地。感应绕组两端输出电压信号相差180度相位。两个磁头A，B可以产生相位差90度的四个方波信号。因此当滑尺移动2b距离可以使计数器得到四个计数脉冲。以录放音磁头为例，如型号为R4061A的磁头。放音的最高中心频率为12.5KHZ，磁带的速度4.76CM/S。此时磁带上小磁铁的周期2b＝3.8微米，所以1/4b＝0.952微米。因此这种磁头做的磁栅数显卡尺，测量分辨率即可达到1微米，而测量精度可达到2微米。图5表示了磁头A，B，四路放大处理电路的原理图。由四路放大电路A1，A2，A3，A4输出经过脉冲合成成为每个周期具有4个脉冲。从PL处输入计数器计数，测量长度的大小。同时用合成的脉冲信号与U2，U4输出的方波信号与D1，D2，D3三个D触发器，U12，U13及U14组成运动方向判别电路，U14输出的高低电平代表移动的方向。从“+-”处进行合成脉冲的加计数或减计数。

采用相同的磁栅测量计数原理可以用来设计磁栅数显精密丝杠万分尺，（把原来的千分尺提高一个数量级）。图6是磁栅数显丝杠万分尺的结构原理图。它是由：1.测量杆2.磁头A，B3.磁道Wa，Wb4.丝杠座5.测量旋转把手6.集成电路7.电路板8.电池9.液晶显示器10.公制英制转换按钮11.置零按钮等构成。丝杠千分尺是丝杠测量杆旋转一圈，测量杆移动距离为0.5mm，磁头A，B可以安放在测量杠的侧面，固定不动，（参看图5）在测量杠上磁道为倾斜的螺纹状。当测量杆旋转一周，测量杆移动距离为0.5mm亦即两个磁道W_aW_b的宽度为0.5mm，若测量杆的直径为6mm，则它的周长18.8mm要测量分辨率0.1微米，则每个小磁铁长度b＝7.54微米，就前面所选磁头是完全能适用的。此时测量杆必须采用非导磁材料，铝合金或不锈钢，同时涂复一层永磁材料r.三氧化二铁，厚度为1-3微米，并加保护层。在万分尺的固定部分，安放电路板集成电路元件及电池。与液晶显示器，公英制转换按钮及置零按钮，万分尺的固定部分还有丝杠座与测量旋转把手构成。磁栅数显精密丝杠的工作原理与电路信号原理分别与图2及图5完全相同。

Claims

1、磁栅数显长度测量器具属于测量技术领域，精密长度测量装置，它是利用磁记录工作原理在长度测量上的具体应用，其特征是：在测量器具相对运动的一方安装磁头A与磁头B，电路板，集成电路元件，液晶显示器，电池座，在测量器具相对运动的另一方基座上涂复永磁材料的磁层构成磁道Wa与磁道Wb，磁道Wa与磁道Wb事先需经专用仪器磁化形成等间隔的相邻极性相反的小永久磁铁，两个磁道小永久磁铁位相相差1/4周期，当存在相对运动时，磁头A与磁头B感应出的脉冲电压信号，经过信号放大处理电路，脉冲合成与方向判别电路控制公制计数器与英制计数器计数，由液晶显示器显示测量的长度输出，与长度测量装置的其他另件构成磁栅数显长度测量器具。

2、由权利要求1所说的磁栅数显长度测量器具其特征是磁头A与磁头B感应的脉冲电压信号采用中心抽头接地输出，两个磁头形成相位差90度的四个脉冲电压信号。因此测量装置移动2b距离，计数器可以接受四个计数脉冲。四路脉冲电压信号经放大器A1，A2，A3，A4放大，经四路斯密特触发器U1，U2，U3，U4整形。由U5，U6，U7，U8倒相形成相位差90度的方波。经微分后成为四个计数脉冲。同时，用此计数脉冲与U2，U4的方波信号经触发器D1，D2，D3与门U12，U13及或门U14组成方向判别电路。判断相对运动的方向，控制计数器的加计数与减计数。

3、由权利要求1所说的磁栅数显长度测量器具原理可以制成磁栅数显卡尺其特征是在卡尺定尺的深度尺槽内涂复永磁材料的磁层构成磁道Wa与磁道Wb，卡尺定尺采用铝合金或非导磁材料。磁道Wa与磁道Wb事先需经专用仪器磁化。由等间隔的相邻极性相反的小永久磁铁组成。两个磁道小永久磁铁位相相差1/4周期。在卡尺的滑尺上安放磁头A与磁头B，电路板，集成电路元件，液晶显示器，电池。磁头A磁头B的工作间隙紧贴在磁道Wa与磁道Wb上，当滑尺移动时磁头A与磁头B的线圈内感应出正负脉冲电压，经信号放大处理电路放大，由脉冲合成及方向判别电路形成计数脉冲与加减计数的高低电平信号，控制公制计数器与英制计数器计数。由液晶显示器显示长度输出。

4、由权利要求1所说的磁栅数显长度测量器具原理可以制成磁栅数显丝杠万分尺。其特征是丝杠万分尺的测量杆上涂复永磁材料的磁层。测量杆必须采用非导磁材料制成。磁层构成磁道Wa与磁道Wb，磁道Wa与磁道Wb为螺纹状绕在测量杆的表面。磁道Wa与磁道Wb总的宽度为丝杠螺距宽度。两个磁道事先经过专用仪器磁化。由等间隔的相邻极性相反的小永久磁铁组成。两个磁道小永久磁铁相位相差1/4周期。在丝杠万分尺的丝杠座与测量杆的侧面安装磁头A与磁头B，电路板，集成电路元件，液晶显示器，电池。磁头A磁头B的工作间隙紧贴在磁道Wa与磁道Wb上，当测量旋转把手带动测量杆旋转移动时，磁头A与磁头B的线圈内感应出正负脉冲电压，经信号放大处理电路放大，由脉冲合成及方向判别电路形成计数脉冲与加减计数的高低电平信号，控制公制计数器与英制计数器计数。同样由液晶显示器显示长度输出。