CN111322953A - 一种活塞杆位移监测与定位的传感装置 - Google Patents

一种活塞杆位移监测与定位的传感装置 Download PDF

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李东超
马长飞
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吴肖波
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Abstract

本申请涉及一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，涉及工程结构减振及监测技术领域，该装置包括主刻度尺、支架箱、光栅刻度尺、光源件以及图像传感装置，主刻度尺固定于活塞杆上，通过光源件发射的光束可使光栅刻度尺在主刻度尺的表面上产生投影，并通过活塞杆的伸缩运动使光栅刻度尺的投影在主刻度尺上呈现位置变化，再通过图像传感装置对该位置变化进行非接触式的实时数字图像的获取，且将其传送至远程监控端进行图像处理，获得活塞杆的位移信息，并结合活塞杆的初始位置，可实现对活塞杆的实时定位监测。本申请可进行非接触式的活塞杆位移的监测和定位，提高了测量的精度、抗干扰能力和可靠性。

Description

一种活塞杆位移监测与定位的传感装置
技术领域
本申请涉及工程结构减振及监测技术领域，特别涉及一种活塞杆位移监测与定位的传感装置。
背景技术
近年来，地震的发生愈发频繁，为有效降低地震对结构的破坏作用，保障结构安全，预防地震灾害对工程结构造成破坏损伤，人们大力发展了结构抗震设计理论及消能减震技术，通过在主体结构上安装具有优秀耗能能力的消能减震装置，即可减小强震所造成的结构破坏。其中，粘滞阻尼器作为一种减震性能良好的消能装置，通过为结构提供附加阻尼，使传到结构的地震能量大幅衰减，有效减小结构的振动反应，提高结构的安全性能。经过近二十年的迅速发展，目前粘滞阻尼器在国内各工程领域中的应用已经较为广泛，相关的行业规范及设计准则也渐趋完善，人们开始推动阻尼减震技术向着智能化的方向发展。通过在阻尼器上设置智能检测装置，可以远程实现对桥梁结构及阻尼器自身的动态响应的实时自动化监测，基于监测数据，可以实时监测桥梁结构及阻尼器的工作状态，也有利于为阻尼器的优化设计提供依据。
相关技术中，通过在阻尼器的外部安装磁致伸缩传感器、拉绳位移计等传感器的方法来实现对阻尼器中活塞杆位移的监测，但是，由于拉绳位移计中采用的线绳在拉伸及收回时具有一定的力，其会导致线绳出现弹性变形，易对测量精度产生影响，且在行程较大时，输出线较长会造成输出信号减弱和不稳定，也会对测量结果产生一定的影响；而磁致伸缩传感器易受外部磁场干扰，不能与导磁材料一起使用，使得其在阻尼器的使用过程中受到一定的限制，抗干扰能力较差。
发明内容
本申请实施例提供一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，以解决相关技术中活塞杆位移监测存在的测量精度低和抗干扰能力差的问题。
为达到以上目的，本申请采取的技术方案是：
一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，该传感装置用于设在端盖和活塞杆上，以实现活塞杆位移监测和定位，包括主刻度尺，所述主刻度尺固定于所述活塞杆上，所述主刻度尺上设有刻度标识；
支架箱，所述支架箱固定于所述端盖的外壁上并位于主刻度尺的上方，所述支架箱的底面板为透光面板；
光栅刻度尺，所述光栅刻度尺固定于支架箱底面板的内壁上并与所述主刻度尺平行，所述光栅刻度尺上设有刻度标识；
光源件，所述光源件固定于支架箱上面板的内壁上，并位于所述光栅刻度尺的上方，所述光源件发射出的光束可使光栅刻度尺投影于所述主刻度尺上；
图像传感装置，所述图像传感装置固定于支架箱上面板的内壁上并位于光源件的侧方，用于实时拍摄光栅刻度尺的投影在主刻度尺上的位置变化的图像，并通过有线或无线技术将实时图像传送至远程监控端。
一些实施例中，所述图像传感装置为面阵CCD传感器。
所述主刻度尺的刻度标识为图形编码式刻度。
所述主刻度尺刻蚀于所述活塞杆上。
所述支架箱内部表面上设有吸光材料涂层。
所述支架箱上设有接线口，所述接线口用于将所述光源件上的导线和所述图像传感装置上的导线引至支架箱外。
所述光栅刻度尺为透光材质。
所述光源件为LED灯。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：可快速且稳定的测量活塞杆的位移，并提高测量的精度和抗干扰能力。
本申请实施例提供了一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，由于主刻度尺固定于活塞杆上，通过光源件发射的光束，可使光栅刻度尺在主刻度尺的表面上产生投影，并通过活塞杆的伸缩运动使光栅刻度尺的投影在主刻度尺上呈现位置变化，且该位置变化即为活塞杆的位移信息，并通过图像传感装置对该位置变化进行非接触式的实时数字图像的拍摄，且将其传送至远程监控端进行图像处理，进而获得活塞杆的位移信息，并结合活塞杆的初始位置，可实现对活塞杆的实时定位监测，其不需要通过主刻度尺的自身弹性运动实现活塞杆的位移测量，避免了由于主刻度尺自身弹性运动所产生的外力作用而对测量结果产生的不利影响。因此，本申请实现了非接触式的活塞杆位移的监测和定位，提高了测量的精度、抗干扰能力和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的传感装置的局部放大的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的主刻度尺的图形编码刻度的示意图；
图4为本申请实施例提供的光栅刻度尺的结构示意图。
图中：1-端盖，2-主刻度尺，3-支架箱，31-接线口，4-光栅刻度尺，5-光源件，6-图像传感装置，7-活塞杆。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其能解决相关技术中阻尼器活塞杆位移监测存在的测量精度低和抗干扰能力差的问题。
参见图1和图2所示，本申请实施例提供的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，该传感装置用于设在端盖1和活塞杆7上，以监测和定位活塞杆7的位移，活塞杆7穿设于端盖1上且可沿端盖1的轴线方向进行往复运动，包括主刻度尺2、支架箱3、光栅刻度尺4、光源件5和图像传感装置6，主刻度尺2固定于活塞杆7上，其上设有刻度标识，阻尼器工作时主刻度尺2随活塞杆7来回伸缩移动，优选的，主刻度尺2以图形编码形式刻蚀于活塞杆7上，既可充分利用活塞杆7自身的刚度，使结构具有较强的整体性和稳定性，还无需占用额外的安装空间，减小了监测系统的体积，参见图3所示，图形编码中黑色格子与空白格子分别对应二进制“1”和“0”，编码刻度与指示数值的对应关系如图表1所示，编码位数可根据需要测量的位移长度不同增加或删减，整个编码序列中无重复码；支架箱3采用普通钢材制备，将其焊接于端盖1外壁上，且位于主刻度尺2的上方，用以固定光栅刻度尺4、光源件5和图像传感装置6，并控制其两两之间的距离，使得图像传感装置6能在所需待测量的量程范围内较好捕获图像信息；优选的，支架箱3设有接线口31，该接线口31用于将光源件5上的导线和图像传感装置6上的导线引至支架箱3外与电源线、信号处理系统等连接，方便为传感装置供电和信号的传输。
参见图4所示，光栅刻度尺4使用透光材质制备并采用等距刻度线，参见图2所示，将其固定于支架箱3底面板的内壁上并与主刻度尺2保持平行，支架箱3的底面板设置为透光面板，使得光栅刻度尺4的投影可穿过透光面板在主刻度尺2上形成投影刻度线，刻度线的设置可根据所需精度及量程进行相应调整，以便适应不同尺寸的阻尼器及各种精度需求。
参见图2所示，光源件5粘贴于支架箱3上面板的内壁上并位于光栅刻度尺4的上方，用于产生垂直于光栅刻度尺4的平行光，使光栅刻度尺4在主刻度尺2的表面上产生投影，光源件5优选为LED灯。图像传感装置6焊接于支架箱3上面板的内壁上并位于光源件5的侧方，用于实时拍摄光栅刻度尺4的投影在主刻度尺2上的位置变化的图像，并通过有线或无线技术将实时图像传送至远程监控端；其中，图像传感装置6优选为面阵CCD传感器，利用其具有分辨率高、灵敏度高、像素位置准确、可靠性好等优点，来获取高分辨率和高精度的数字图像，并经过图像处理后提取数字图像中的关键信息，获得结构的运动及定位信息，实现自动检测阻尼器的活塞杆7的绝对位置与相对运动状态，有利于提高阻尼器位移测量的可靠性、稳定性及精确度。
优选的，在支架箱3内部表面上涂抹吸光材料涂层，该吸光材料涂层可以吸收光栅刻度尺4的反射光，从而避免该反射光对图像信息获取造成的影响，进一步提高测量的精确度。
活塞杆7的位移信息由两部分组成且测量精度可通过设置主刻度尺2精度和光栅刻度尺4分度进行调整，记主刻度尺2精度为ε0，光栅刻度尺4分度设置为n，则光栅刻度尺4的总长度为(n-1)ε0，光栅刻度尺每格对应精度为ε0/n；测量时，主刻度尺2的最大图形编码对应的指示数值记为S1，光栅刻度尺4的投影与主刻度尺2分界线对齐处所示的数值记为S2，则活塞杆7总体位移为：
Figure BDA0002413525230000051
通过在阻尼器内设置本传感装置，可以获得活塞杆7运动位移，并根据设计参数计算理论阻尼力：当活塞杆7在其长度方向上进行伸缩移动时，带动主刻度尺2的编码图形同步移动；通过LED灯发射的光，使光栅刻度尺4在主刻度尺2的表面上产生投影；使用面阵CCD传感器实时拍摄光栅刻度尺4的投影在主刻度尺2的位置变化的图像，且将其传送至远程监控端进行图像处理，获得活塞杆7的位移信息，并结合活塞杆7的初始位置，可完成对活塞杆7的实时定位监测；另外，光电测量将光学与电子学相结合，具有更高的精度，能够实现非接触测量，并且易于自动化和智能化。
本申请实现了非接触式的活塞杆7位移的监测和定位，提高了测量的精度、抗干扰能力、可靠性和稳定性；本传感装置采用电子测量的形式进行活塞杆7的位移监测，具有体积小和精度高的优势，且易于操作；通过综合分析，本申请适用性广，其不仅可适用于粘滞阻尼器活塞杆的位移的监测与定位，也可以应用于各种作动器活塞杆的位移监测与定位，也适用于其他需定位的各类相对运动部件，有利于建立更符合实际的阻尼力力学模型，进一步提升阻尼器的减震抗震性能。
表1主刻度尺的图形编码序列-位移数值对照表
图形编码 位移刻度 图形编码 位移刻度
0000000000 0 1111110111 1015
0000000001 1 1111111000 1016
0000000010 2 1111111001 1017
0000000011 3 1111111010 1018
0000000100 4 1111111011 1019
0000000101 5 1111111100 1020
0000000110 6 1111111101 1021
0000000111 7 1111111110 1022
0000001000 8 1111111111 1023
… …
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，该传感装置用于设在端盖(1)和活塞杆(7)上，以实现活塞杆(7)位移监测和定位，其特征在于：
包括主刻度尺(2)，所述主刻度尺(2)固定于所述活塞杆(7)上，所述主刻度尺(2)上设有刻度标识；
支架箱(3)，所述支架箱(3)固定于所述端盖(1)的外壁上并位于主刻度尺(2)的上方，所述支架箱(3)的底面板为透光面板；
光栅刻度尺(4)，所述光栅刻度尺(4)固定于支架箱(3)底面板的内壁上并与所述主刻度尺(2)平行，所述光栅刻度尺(4)上设有刻度标识；
光源件(5)，所述光源件(5)固定于支架箱(3)上面板的内壁上，并位于所述光栅刻度尺(4)的上方，所述光源件(5)发射出的光束可使光栅刻度尺(4)投影于所述主刻度尺(2)上；
图像传感装置(6)，所述图像传感装置(6)固定于支架箱(3)上面板的内壁上并位于光源件(5)的侧方，用于实时拍摄光栅刻度尺(4)的投影在主刻度尺(2)上的位置变化的图像，并通过有线或无线技术将实时图像传送至远程监控端。
2.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述图像传感装置(6)为面阵CCD传感器。
3.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述主刻度尺(2)的刻度标识为图形编码式刻度。
4.如权利要求3所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述主刻度尺(2)刻蚀于所述活塞杆(7)上。
5.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述支架箱(3)内部表面上设有吸光材料涂层。
6.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述支架箱(3)上设有接线口(31)，所述接线口(31)用于将所述光源件(5)上的导线和所述图像传感装置(6)上的导线引至支架箱(3)外。
7.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述光栅刻度尺(4)为透光材质。
8.如权利要求1所述的一种活塞杆位移监测与定位的传感装置，其特征在于：所述光源件(5)为LED灯。
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