CN110057306A - 周径传感器的驱动装置及其自动归零初始化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及传感器驱动装置的周径传感器的驱动装置及其自动归零初始化方法，解决了效率低的问题。其技术方案要点是包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V‑I转换与滤波电路和I‑V转换与滤波电路，中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε。通过调节驱动电流的手段调节周径传感器的输出，使实际输出值近似于或等于期望输出值，使周径传感器在自然收缩状态输出值一致，消弭传感器个体差异，提高测量效率和生产效率。

Description

周径传感器的驱动装置及其自动归零初始化方法

技术领域

本发明涉及传感器驱动装置，特别涉及周径传感器的驱动装置及其自动归零初始化方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能采集到被测量的信息，并能按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。市场上用于所使用的传感器多为电阻式传感器，这类传感器是被动式元件，电路抽象中等效于变阻器，驱动装置一般设计成电桥电路或者电阻分压电路。由于存在传感器个体差异，即每一个传感器的电阻值是不同的，这就意味着在开发驱动装置时假如采用固定的电路参数，那么在传感器自然收缩状态时得到的测量输出初始值是不同的。这就使得传感器连接驱动装置时，需要对驱动装置进行电路参数上的调节，而下一次更换驱动装置上的传感器时，则又需要对驱动装置进行电路参数上的调节，极不方便使用，降低了测量效率和生产效率。故现有技术中存在生产效率与测量效率较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供周径传感器的驱动装置及其自动归零初始化方法，能够自动调节电路参数，达到了提高测量效率和生产效率的效果。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

周径传感器的驱动装置，包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路，所述中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，所述非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，所述核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，所述电压调节器件与驱动电压整形电路电性连接，所述电压采集器件与I-V转换与滤波电路电性连接，所述核心控制器件与通信单元通信连接。

周径传感器的驱动装置的自动归零初始化方法，包括以下步骤：

输出驱动电流：所述电压调节器件接收电压指令数据并输出驱动电压信息Ud，所述电压调节器件将驱动电压信息Ud输出至驱动电压整形电路；

电压整形：所述驱动电压整形电路接收驱动电压信息Ud，对驱动电压信息Ud整形并输出至V-I转换与滤波电路；

V-I转换滤波：所述V-I转换与滤波电路接收驱动电压，将驱动电压转换为驱动电流并滤波，将驱动电流传输至所述驱动电流输出端；

I-V转换：所述I-V转换与滤波电路接收经过传感器输出电流接收端的传感器输出电流，将输出电流转换为输出电压Vout并将所述输出电压Vout滤波后传输至电压采集器件；

归零初始化：所述中央控制器电路计算初始化期望输出值Vexpect与输出电压Vout的差△V，若△V的绝对值小于预设的误差值ε，则根据当前驱动电压信息Ud更新电压调节设定值记录Urec。

进一步的：在所述归零初始化的步骤中还包括以下步骤：

误差值比较：所述核心控制器件读取初始化期望输出值Vexpect、误差值ε和输出电压Vout，并计算△V＝Vexpect–Vout，对|△V|和ε进行对比，若|△V|<ε或|△V|＝ε则进入更新电压调节设定值记录Urec的步骤；

更新电压调节设定值记录Urec：所述核心控制器件将当前驱动电压信息Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec。

进一步的：在所述在所述误差值比较的步骤中，还包括以下步骤：

若|△V|>ε且△V<0则所述核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud-△U，向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

若|△V|>ε且△V>0则所述核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud+△U，并向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤。

进一步的：在所述输出驱动电流的步骤前还包括以下步骤：

输出驱动电压信息Ud：若所述电压调节设定值记录Urec不存在，则所述核心控制器件读取电压调节默认值Udefault，并根据电压调节默认值Udefault向电压调节器件传输驱动电压指令数据。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

上述中的周径传感器驱动装置在上电启动后，中央控制器电路能通过调节驱动电流的手段，调节周径传感器的输出，使实际输出值等于期望输出值。即通过该驱动装置，可以在周径传感器处于自然收缩的状态实现自动归零初始化的功能，使得每一个周径传感器在自然收缩状态时的输出值是一致的，在驱动周径传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。

上述中的周径传感器驱动装置在开发完成后，在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的周径传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

上述中的周径传感器驱动装置还可以为外部测量应用装置提供信息，便于外部测量应用装置更好地进行测量。

上述中的周径传感器驱动装置，作为外部测量应用装置与周径传感器的中间层，将二者连接起来，形成了整体闭环的结构。实质上是对周径传感器与外部测量应用装置二者之间的解耦，对外部测量应用装置来说，不论怎么更换周径传感器，周径传感器的初始值都是统一的，这种闭环～解耦的思想可以应用在更多的应用场景当中。

在被测物体周径发生变化时，数据是连续单调变化的，因此对于测量周径来说进行自动归零初始化是必不可少的(所述自动归零初始化是指在固定的测量应用场景下，使得周径传感器在自然收缩状态时的输出电压Vout-初始化期望输出值Vexpect<误差值ε)。在使用不同的周径传感器自然收缩状态下，每一个周径传感器都能够输出近似相等的输出电压Vout，这在本质上别于市场上现有的驱动装置。

附图说明

图1是本实施例中驱动装置的连接结构示意图；

图2是本实施例中周径传感器驱动装置自动归零初始化方法的流程示意图；

图3是本实施例中中央控制器电路的电路连接示意图；

图4是本实施例中驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路的电路连接示意图；

图5是本实施例中光线逸散槽的剖视图；

图6是本实施例中光导元件伸直状态时的光路示意图；

图7是本实施例中光导元件向远离光线逸散槽一侧弯曲时的光路示意图；

图8是本实施例中弹性基座自然收缩时的状态示意图；

图9是本实施例中弹性基座被撑开时的状态示意图。

附图标记：11、光导元件；12、光线逸散槽；13、包层；14、第一连接件；15、第二连接件；21、光发射组件；22、光接收组件；23、弹性基座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例：

周径传感器驱动装置，如图1至图9所示，包括中央控制器电路、I-V转换与滤波电路、驱动电压整形电路和V-I转换与滤波电路，驱动电压整形电路两端分别与电压调节器件和V-I转换与滤波电路电性连接，V-I转换与滤波电路设有驱动电流输出端。I-V转换与滤波电路与中央控制器电路电性连接，I-V转换与滤波电路设有传感器输出电流接收端。中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，在本实施例中通信单元为USB通信单元，

中央控制器电路所使用的芯片型号为STM32F103C8T6，该芯片内部集成了ARM内核中央计算器件、FLASH存储器件、PWM发生器件、ADC模数转换器件、USB通信控制器件，分别对应了核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件、USB通信单元。

其中，电压调节器件被配置到了U1的42脚，即通过42脚输出电压调节信息Ud，在本实施例中，Ud为PWM信息；电压采集器件被配置到了U1的10脚，即通过10脚采集传感器输出电压Uout，同样通过10脚也可以把Uout送入外部测量应用装置；USB通信控制器件被配置到了U1的31脚与32脚，通过这两个管脚可以与外部测量应用装置进行USB通信。

非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，换算方法与驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路的拓扑参数有关，默认值Udefault不低于驱动周径传感器的最小电流值的换算值。

核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，电压调节器件与驱动电压整形电路电性连接，电压采集器件与I-V转换与滤波电路电性连接。

驱动电压整形电路包括电阻R7和电容C7，电阻R7串联于驱动电压整形电路，电容C7一端与驱动电压整形电路电性连接且另一端接地。

电压调节信息Ud通过电阻R7和电容C7形成的RC滤波网络之后，PWM方波被整形为直流电压Udrive，该直流电压Udrive的大小与PWM方波的占空比成正比。

V-I转换与滤波电路包括电阻R8和电容C8，电阻R8串联于V-I转换与滤波电路，电容C8一端与V-I转换与滤波电路电性连接且另一端接地，驱动电流输出端与电容C8并联。

电容C8与周径传感器输入端的发光元件并联，能起到滤除高频杂波的作用；电阻R8与周径传感器输入端的发光元件串联，从而通过电阻R8将直流电压Udrive转换为周径传感器的驱动电流Id。

I-V转换与滤波电路包括VCC连接端、电阻R9和电容C9，电阻R9两端分别与VCC连接端和I-V转换与滤波电路电性连接，电容C9一端与I-V转换与滤波电路电性连接且另一端接地。

通过R9一端被VCC上拉，电阻R9另一端与周径传感器输出端串联，从而能为周径传感器输出端的光敏三极管提供电源。光敏三极管被光激发的电流流过电阻R9，在电阻R9两端形成压降，因此周径传感器的输出电流被转换成了周径传感器输出电压Uout。电容C9起到滤除周径传感器输出电压Uout的高频杂波的作用。

I-V转换与滤波电路电性连接有外部测量应用装置连接端。

通过外部测量应用装置连接端将周径传感器输出电压传输到外部测量应用装置上，起到方便接收周径传感器采集的信息的效果。

周径传感器，如图5至图8所示，包括光发射组件21、光接收组件22、弹性基座23和具有柔性且折射率大于1的光导元件11，光发射组件21和光接收组件22均固定的安装于光导元件11，光发射组件21包括发光元件，光接收组件22包括光接收元件，发光元件和光接收元件分别位于光导元件11的两端处，光导元件11设有光线逸散槽12，光线逸散槽12沿光导元件11的长度方向延伸，光线逸散槽12深度小于光导元件11宽度的1/20。

光导元件11设有弯曲段，光线逸散槽12位于弯曲段的外周面，光发射组件21和光接收组件22固定安装于弹性基座23的不同位置。

光发射组件21与光导元件11之间设有第一连接件14，第一连接件14为固体，第一连接件14设有容纳光发射组件21的第一开口，第一连接件14设有容纳光导元件11的一端且贯通至第一开口的第一连接孔，第一连接件14分别与光发射组件21和光导元件11通过透明的粘接剂刚性粘接，光接收组件22与光导元件11之间设有第二连接件15，第二连接件15为固体，第二连接件15设有容纳光接收组件22的第二开口，第二连接件15设有容纳光导元件11的一端且贯通至第二开口的第二连接孔，第二连接件15分别与光接收组件22和光导元件11通过透明的粘接剂刚性粘接。

光导元件11外部设有包层13，光导元件11和光线逸散槽12表面均与包层13内表面贴合，包层13外表面为平整且连续的表面，包层13的折射率小于光导元件11的折射率。

光发射组件21和光接收组件22沿弹性基座23的长度方向排布，弹性基座23长度方向的两端互相连接。

如图6和图7中所示的箭头指向为预期的光线射入方向。

如图8和图9所示，弹性基座23共设置有2个连接区，光导元件11设置于2个连接区之间，2个连接区分别位于弹性基座23的长度方向的两端。2个连接区相互连接，从而使得弹性基座23首尾相连。

发光元件为发光量与驱动电流成正比关系的有源发光器件,在本实施例中发光元件为发光二极管。

光接收元件为在电源电压不变的情况下输出电流与光接收元件表面接收到的光通量成正比关系的有源光通量探测器件，在本实施例中光接收元件为光敏三极管。

当该周径传感器处于自然收缩状态时，光导元件11弯曲并且光线逸散槽12位于光导元件11弯曲外周的一侧，由于存在光线逸散槽12，导致部分特定入射角的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使得周径传感器在处于自然收缩状态时有一部分的光通量被损耗。通过光线逸散槽12影响光路的几何模型，使得光路的几何模型与弯曲损耗振荡现象的几何模型不匹配，从而消除了宏观弯曲时的损耗振荡现象。

当被测物将周径传感器撑开，使周径传感器处于张开状态，并且使得光导元件11的弯曲段趋于平直状态，从而使光线逸散槽12的表面被压缩且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路平行，有更少的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量增加，且光通量的变化是呈单调变化的。

当被测物周径缩小时，弹性基座23带动光导元件11回弹收缩，并且使得光导元件11趋于向远离光线逸散槽12的方向弯曲，从而使光线逸散槽12的表面被拉伸且逐渐趋向于光线逸散槽12与入射光路垂直，有更多的光线从光线逸散槽12逸出皮层而耗散，使光通量减少，且光通量的变化是呈单调变化的。

该周径传感器无论是向外张开还是向内收缩，光导元件11的光通量变化是呈单调变化的，并且这种变化是连续变化的，从而能通过光导元件11的光通量判断被测物的弯曲程度。

周径传感器的驱动输入是电流值，其发光量与驱动电流成正比关系；周径传感器的输出是电流值，在电源电压不变的情况下，其输出电流与表面接收到的光通量成正比关系，即可以通过测量输出电流大小来测量周径传感器拉伸扩张程度，输出电流与拉伸扩张程度成正比关系，保证了测量准确。通过实时监测输出电流的大小，从而达到能长期实时在线监测周径变化的效果。

周径传感器驱动装置自动归零初始化方法，包括以下步骤：

S1、传感器自然收缩：使周径传感器处于自然收缩的状态；

S2、初始设置：通过编程预设或通过USB接口使用外部测量应用装置与驱动装置信息交换的方法设置初始化期望输出值Vexpect，在本实施例中采用编程预设的方法设置初始化期望输出值Vexpect；

S3、输出驱动电压信息Ud：核心控制器件检查是否存在电压调节设定值记录Urec；若电压调节设定值记录Urec存在则根据电压调节设定值记录Urec向电压调节器件传输驱动电压指令数据；若电压调节设定值记录Urec不存在则根据电压调节默认值Udefault向电压调节器件传输驱动电压指令数据；

S4、输出驱动电流：电压调节器件接收电压指令数据并输出驱动电压信息Ud，电压调节器件将驱动电压信息Ud输出至驱动电压整形电路，将驱动电压信息Ud转化为驱动电流并将驱动电流传输至周径传感器，该步骤包括：

S4.1、电压整形：驱动电压整形电路接收驱动电压信息Ud，对驱动电压信息Ud整形并输出至V-I转换与滤波电路；

S4.2、V-I转换滤波：V-I转换与滤波电路接收驱动电压，将驱动电压转换为驱动电流并滤波，将驱动电流传输至驱动电流输出端；

S5、转换传感器输出电流：I-V转换与滤波电路接收周径传感器器发出的传感器输出电流，将传感器输出电流转化为输出电压Vout并将输出电压Vout传输至电压采集器件，该步骤包括：

S5.1、I-V转换：I-V转换与滤波电路接收经过传感器输出电流接收端的传感器输出电流，将传感器输出电流转换为输出电压Vout并将输出电压Vout滤波后传输至电压采集器件；

S6、误差值比较：核心控制器件读取初始化期望输出值Vexpect、误差值ε和输出电压Vout，并计算△V＝Vexpect–Vout，对|△V|和ε进行对比，若|△V|<ε则进入更新电压调节设定值记录Urec的步骤；

S7、若|△V|大于等于ε且△V<0则核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud-△U，向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

S8、若|△V|大于等于ε且△V>0则核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud+△U，并向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

S9、更新电压调节设定值记录Urec：核心控制器件将当前驱动电压信息Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec。

本实施例具有以下优点：

驱动装置上电启动后，核心控制器件读取非易失存储器件内的电压调节设定值记录Urec，并根据电压调节设定值记录Urec向电压调节器件传输驱动电压指令数据，电压调节器件接收电压指令数据后，向驱动电压整形电路传输驱动电压信息Ud，并根据电压调节设定值记录Urec向驱动电压整形电路输出驱动电压信息Ud，驱动电压整形电路对驱动电压信息Ud整形后，将驱动电压信息Ud输出至V-I转换与滤波电路，V-I转换与滤波电路将驱动电压转换为驱动电流并滤波后，将驱动电流传输至驱动电流输出端，通过驱动电流输出端将驱动电流传输至周径传感器，从而利用驱动电流驱动周径传感器工作。

周径传感器采集信息后通过传感器输出电流接收端将包含所采集信息的传感器输出电流输送至I-V转换与滤波电路，I-V转换与滤波电路将传感器输出电流转换为输出电压Vout并将输出电压Vout滤波后传输至中央控制器电路的电压采集器件。

然后，核心控制器件读取存储器内的初始化期望输出值Vexpect、误差值ε以及电压采集器件接收到的输出电压Vout，计算△V＝Vexpect–Vout，对比|△V|和ε，若|△V|<ε则将当前驱动电压信息Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec，从而完成电压调节设定值记录Urec的更新。通过调节驱动电流的手段，实现自动调节电路参数的功能，达到了提高测量效率和生产效率的效果。调节周径传感器的输出，使实际输出值等于期望输出值。即通过该驱动装置，可以在周径传感器处于自然收缩的状态实现自动归零初始化的功能，使得每一个周径传感器在自然收缩状态时的输出值是一致的，在驱动周径传感器时直接达到消弭传感器个体差异的目的。

在使用过程中无需再调整电路参数，就可以适配不同型号的周径传感器，极大地提高了生产效率、测量效率。

还可以为外部测量应用装置提供信息，便于外部测量应用装置更好地进行测量。

该驱动装置作为外部测量应用装置与周径传感器的中间层，将二者连接起来，形成了整体闭环的结构。实质上是对周径传感器与外部测量应用装置二者之间的解耦，对外部测量应用装置来说，不论怎么更换周径传感器，周径传感器的初始值都是统一的，这种闭环～解耦的思想可以应用在更多的应用场景当中。

在被测物体周径变化时，数据是连续单调变化的，因此对于测量周径变化来说，对周径传感器在自然收缩状态下的输出值进行自动归零初始化是必要的(这里提出的“归零”不是指电流值或电压值等于零，而是指在固定的测量应用场景下，使得：周径传感器在自然收缩状态时的输出值Vout-初始化期望输出值Vexpect<误差ε)，即自然收缩状态下，每一个周径传感器都能够输出近似相等的Vout。周径传感器处于自然收缩的状态即为初始状态，能起到方便测量的效果。在使用不同的周径传感器自然收缩状态下，每一个周径传感器都能够输出近似相等的输出电压Vout，这在本质上别于市场上现有的驱动装置。

电压调节设定值记录Urec存储于非易失存储器件，在下次测量时，能再次利用该电压调节设定值记录Urec，起到方便测量和减小测量误差的效果。

通过编程预设初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节设定值记录Urec、误差值ε，可针对不同的传感器和外部测量应用装置进行适应性的调节，能起到提高适用性的效果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.周径传感器的驱动装置，其特征在于：包括中央控制器电路、驱动电压整形电路、V-I转换与滤波电路和I-V转换与滤波电路，所述中央控制器电路包括核心控制器件、非易失存储器件、电压调节器件、电压采集器件和通信单元，所述非易失存储器件内储存有初始化期望输出值Vexpect、调整步长△U、电压调节默认值Udefault、电压调节设定值记录Urec和误差值ε，所述核心控制器件与非易失存储器件、电压调节器件和电压采集器件电性连接，所述电压调节器件与驱动电压整形电路电性连接，所述电压采集器件与I-V转换与滤波电路电性连接，所述核心控制器件与通信单元通信连接。

2.周径传感器的驱动装置的自动归零初始化方法，其特征在于：包括以下步骤：

输出驱动电流：所述电压调节器件接收电压指令数据并输出驱动电压信息Ud，所述电压调节器件将驱动电压信息Ud输出至驱动电压整形电路；

电压整形：所述驱动电压整形电路接收驱动电压信息Ud，对驱动电压信息Ud整形并输出至V-I转换与滤波电路；

V-I转换滤波：所述V-I转换与滤波电路接收驱动电压，将驱动电压转换为驱动电流并滤波，将驱动电流传输至所述驱动电流输出端；

I-V转换：所述I-V转换与滤波电路接收经过传感器输出电流接收端的传感器输出电流，将输出电流转换为输出电压Vout并将所述输出电压Vout滤波后传输至电压采集器件；

归零初始化：所述中央控制器电路计算初始化期望输出值Vexpect与输出电压Vout的差△V，若△V的绝对值小于预设的误差值ε，则根据当前驱动电压信息Ud更新电压调节设定值记录Urec。

3.根据权利要求2所述的周径传感器的驱动装置的自动归零初始化方法，其特征在于：在所述归零初始化的步骤中还包括以下步骤：

误差值比较：所述核心控制器件读取初始化期望输出值Vexpect、误差值ε和输出电压Vout，并计算△V＝Vexpect–Vout，对|△V|和ε进行对比，若|△V|<ε或|△V|＝ε则进入更新电压调节设定值记录Urec的步骤；

更新电压调节设定值记录Urec：所述核心控制器件将当前驱动电压信息Ud保存到非易失存储器件并替换原有的电压调节设定值记录Urec。

4.根据权利要求3所述的周径传感器的驱动装置的自动归零初始化方法，其特征在于：在所述在所述误差值比较的步骤中，还包括以下步骤：

若|△V|>ε且△V<0则所述核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud-△U，向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤；

若|△V|>ε且△V>0则所述核心控制器件读取调整步长△U并计算Ud＝Ud+△U，并向电压调节器件输出计算后的驱动电压信息Ud，然后进入输出驱动电流的步骤。

5.根据权利要求2所述的周径传感器的驱动装置的自动归零初始化方法，其特征在于：在所述输出驱动电流的步骤前还包括以下步骤：

输出驱动电压信息Ud：若所述电压调节设定值记录Urec不存在，则所述核心控制器件读取电压调节默认值Udefault，并根据电压调节默认值Udefault向电压调节器件传输驱动电压指令数据。