CN113639761B - 一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法，利用四个反射光纤传感器和网格图码可以准确方便地实现平板面、圆盘面、圆柱面、圆球面的二维位移、速度、转角、转速测量。图码布置在被测部件上，图码外侧固定四个反射光纤传感器，当图码随着被测部件运动时，反射光纤传感器发出的光照射在图码的不同网格上，从而测出相应光强变化，通过设定反射光纤传感器阈值，反射光纤传感器将感应到的光强输出为数字信号，通过对数字信号解码和分析即可求出相应的位移、速度、转角、转速。本发明的测量方法简单、成本低、精度高，为二维平动与转动位移、速度、转角、转速的同步非接触测量等工程问题提供了有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维平动与转动位移和速度测量方法，具体是一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法。
背景技术
运动部件的二维平动和转动运动广泛存在于各种工业应用场景中，比如驱动系统、传动系统、机器人等，通常需要监测其位移、速度、转角、转速等运动特征，有利于分析运动规律以对系统进行优化设计提高可靠性。
现有位移、速度、转角、转速测量一般是通过布置多个传感器进行测量，即在每个运动方向分别布置相应传感器进行测量，比如编码器、光栅尺、拉线位移传感器、激光位移传感器等，传感器体积较大、成本较高，对装配精度要求高，检测速度有限，在一些特殊的应用场合，比如环境恶劣的狭小空间，现有的测量方法不再适用，无法直接测量二维平动与转动的位移、速度、转角、转速，需要一种更加高效准确的测量方法实现对二维平动与转动运动的位移、速度、转角、转速的同步非接触测量，以满足生产实践应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法，可以准确便捷地对二维平动和转动位移、速度、转角、转速进行同步非接触测量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据被测运动部件的结构和运动方式，将黑白相间的网格图码布置在被测运动部件上，比如可以将相应图码纸贴在被测运动部件上或者通过机械加工的方式在运动部件上刻蚀出相应图码，具体有平板面图码、圆盘面图码、圆柱面图码、圆球面图码，同时将四个反射光纤传感器布置在图码外侧。四个反射光纤传感器发出的光照射在图码的不同网格上，当被测部件运动时，图码会跟随被测部件运动并相对四个反射光纤传感器发出的光发生位置变化，四个反射光纤传感器测出相应的光强变化，通过对四个反射光纤传感器感光量的阈值设置，四个反射光纤传感器将感应到的光强传输至电脑存储并输出为数字信号，数字信号的低平“0”和高平“1”分别对应图码的黑白网格，通过二维编码法对数字信号解码和统计分析即可计算出二维平动和转动运动的位移和速度；利用每个网格代表的实际长度或角度与计数乘积得到位移或转角，速度或转速通过位移或转角与对应时间之比计算；具体包括平板面二维平动的位移和速度，圆盘面径向平动的位移和速度以及旋转运动的转角和转速，圆柱面轴向平动的位移和速度以及旋转运动的转角和转速，圆球面二维旋转运动的转角和转速。
当图码跟随被测物体运动时，四个反射光纤传感器将感应到的光强变化输出为相应的数字信号，包括x正向运动数字信号或x反向运动数字信号，y正向运动数字信号或y反向运动数字信号。进一步地，图码的运动可以归纳为向x的正或负方向移动一个单位，y方向保持不变，分别记为(x+1,y+0)或(x-1,y+0)；x方向保持不变，向y的正或负方向移动一个单位，分别记为(x+0,y+1)或(x+0,y-1)；结合x正向运动数字信号或x反向运动数字信号，y正向运动数字信号或y反向运动数字信号，将图码的运动情况归纳为表三：
表三
| (x+1,y+0) | (x-1,y+0) | (x+0,y+1) | (x+0,y-1) |
| A↑B0C↑D0 | A↑B1C↑D1 | A↑C1B↑D1 | A↑C0B↑D0 |
| A↑B0C↓D1 | A↑B1C↓D0 | A↑C1B↓D0 | A↑C0B↓D1 |
| A↓B1C↑D0 | A↓B0C↑D1 | A↓C0B↑D1 | A↓C1B↑D0 |
| A↓B1C↓D1 | A↓B0C↓D0 | A↓C0B↓D0 | A↓C1B↓D1 |
| B↑A1D↑C1 | B↑A0D↑C0 | C↑A0D↑B0 | C↑A1D↑B1 |
| B↑A1D↓C0 | B↑A0D↓C1 | C↑A0D↓B1 | C↑A1D↓B0 |
| B↓A0D↑C1 | B↓A1D↑C0 | C↓A1D↑B0 | C↓A0D↑B1 |
| B↓A0D↓C0 | B↓A1D↓C1 | C↓A1D↓B1 | C↓A0D↓B0 |
向上的箭头↑表示数字信号的上升沿，向下的箭头↓表示数字信号的下降沿，逻辑高平表示为“1”，对应图码的白色网格，逻辑低平表示为“0”，对应图码的黒色网格。根据表三图码的运动情况，对其进行二维单向编码，得到编码方程：
其中，
当确定[S]的值时，其中上升沿和下降沿可以不同时发生，在一个较小的时间段内发生即可，这样就可以保证四个反射光纤传感器在一定装配误差范围内正常工作。根据编码方程，表三的运动情况可以编码为表四：
表四
利用编码方程和运动编码表对四个反射光纤传感器输出的数字信号进行解码和分析即可计算二维平动与转动运动的位移、速度、转角、转速。
本发明的优势与效果在于：该发明的测量方法可对二维平动与转动运动的位移、速度、转角、转速进行同步非接触测量，测量方法简单便捷，测量精度高，经济适用。本发明为二维平动与转动运动的位移、速度、转角、转速的同步非接触测量等工程问题提供了有效解决方案。
附图说明
图1是本发明的平板面图码示意图
图2是本发明的圆盘面图码示意图
图3是本发明的圆柱面图码示意图
图4是本发明的圆球面图码示意图
图5是本发明的四个反射光纤传感器输出的数字信号示意图
具体实施方法
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1所示，当测量平板面二维正交平动的位移和速度时，将平板面图码(1)布置在平板面上，同时将四个反射光纤传感器(100)按一定相对位置固定在平板面图码(1)的上方，四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D照射在平板面图码(1)上，如平板面图码局部放大图(101)所示。当平板面在平面内二维正交平动时，即沿x、y方向运动，平板面图码(1)会跟随其平动，从而相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D的位置变化，进而导致四个反射光纤传感器(100)感应到的光强发生变化，四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强变化通过数据采集系统储存到电脑，通过设置四个反射光纤传感器(100)感应到的光强阈值，四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强输出为数字信号，如图5所示。通过对数字信号的解码和分析即可求得平板面正交平动的位移和速度。
如图1、图2所示，当测量圆盘面径向平动的位移、速度和绕中心轴旋转的转角、转速时，将圆盘面图码(2)布置在相应的圆盘面上，同时将四个反射光纤传感器(100)按一定相对位置固定在圆盘面图码(2)的外侧，四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D照射在圆盘面图码(2)上，如圆盘面图码局部放大图(201)所示。当圆盘面在一定范围径向平动和绕中心轴转动时，圆盘面图码(2)会跟随其平动和转动，使圆盘面图码(2)中的网格相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D的位置交替变化，同时四个反射光纤传感器(100)感应光强变化并通过数据采集系统将感应到的光强变化传输至电脑存储，通过对四个反射光纤传感器(100)感应到的光强阈值进行设置，四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强输出为数字信号，如图5所示。通过对数字信号的解码和分析即可求得圆盘面径向平动的位移和速度与绕中心轴旋转的转角和转速。
如图1、图3所示，当测量圆柱面轴向平动的位移、速度和绕中心轴旋转的转角、转速时，将圆柱面图码(3)布置在相应的圆柱面上，同时将四个反射光纤传感器(100)按一定相对位置固定在圆柱面图码(3)的外侧，四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D照射在圆柱面图码(3)的不同网格上，如圆柱面图码局部放大图(301)所示。当圆柱面轴向平动和绕中心轴转动时，圆柱面图码(3)跟随圆柱面平动和转动，进而相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D发生位置变化，此时四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强变化通过数据采集系统传输至电脑存储，通过设置四个反射光纤传感器(100)感应到的光强阈值，四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强输出为数字信号，如图5所示。通过对数字信号的解码和分析即可求得圆柱面轴向平动的位移和速度与绕中心轴旋转的转角和转速。
如图1、图4所示，当测量圆球面二维旋转运动的转角和转速时，将圆球面图码(4)布置在相应的圆球面上，同时将四个反射光纤传感器(100)按一定相对位置固定在圆球面图码(4)的外侧，四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D照射在圆球面图码(4)的不同网格上，如圆球面图码局部放大图(401)所示。当圆球面旋转时，圆球面图码(4)会跟随圆球面旋转，同时相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D发生位置变化，此时四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强变化通过数据采集系统采集并传输至电脑保存，通过对四个反射光纤传感器(100)感应到的光强阈值进行设置，四个反射光纤传感器(100)将感应到的光强输出为数字信号，如图5所示。通过对数字信号的解码和分析即可求得圆球面二维旋转运动的转角和转速。
本发明利用四个反射光纤传感器(100)和黑白网格图码来开展平板面、圆盘面、圆柱面、圆球面的二维位移、速度、转角、转速同步非接触测量，以实现运动部件的二维平动与转动位移、速度、转角、转速的同步在线实时测量目的，测量结果有助于分析运动部件的运动规律和运动特性，有利于对结构进行优化设计以提高可靠性。本发明的二维平动与转动运动位移和速度测量方法精度高、操作方便、成本低，足以满足生产实践需求。
以上对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明所述并不限于具体实施方式所述的实施例，在本领域的技术人员所具备的知识范围内，还可以根据本发明做出各种变化以及得出其他实施方式，同样属于本发明的技术创新和保护范围。
Claims (3)
1.一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法，其特征在于：将平板面图码(1)、圆盘面图码(2)、圆柱面图码(3)、圆球面图码(4)分别布置在平板面、圆盘面、圆柱面、圆球面上，图码外侧布置四个反射光纤传感器(100)；平板面图码(1)跟随平板面相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D做平面正交运动，四个反射光纤传感器(100)将平板面图码(1)上感应到的光强输出为数字信号，图码的黑白网格分别对应数字信号的低平“0”和高平“1”，通过对数字信号解码和分析可得到平板面正交平动的位移和速度；圆盘面图码(2)跟随圆盘面相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D做一定范围的径向平动和绕中心轴旋转，四个反射光纤传感器(100)将圆盘面图码(2)上感应到的光强输出为数字信号，通过对数字信号解码和分析可得到圆盘面径向平动的位移和速度以及平面旋转运动的转角和转速；圆柱面图码(3)跟随圆盘面相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D做轴向直线运动和绕中心轴旋转运动，四个反射光纤传感器(100)将圆柱面图码(3)上感应到的光强输出为数字信号，通过对数字信号解码和分析可得到圆柱面轴向运动的位移和速度以及旋转运动的转角和转速；圆球面图码(4)跟随圆球面相对四个反射光纤传感器(100)发出的光A、B、C、D做一定范围的二维旋转运动，四个反射光纤传感器(100)将圆球面图码(4)上感应到的光强输出为数字信号，通过对数字信号解码和分析得到圆球面二维旋转运动的转角和转速。
2.根据权利要求1所述的一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法，其特征在于：平板面图码局部放大图(101)中光A、B、C、D对应的四个反射光纤传感器(100)输出的信号有x正向运动数字信号(5)或x反向运动数字信号(6)，y正向运动数字信号(7)或y反向运动数字信号(8)；通过计数与每个网格代表的实际长度乘积得到位移，速度通过位移与对应时间之比计算。
3.根据权利要求1所述的一种利用黑白网格图码的二维平动与转动位移和速度同步非接触测量方法，其特征在于：平板面图码局部放大图(101)中图码相对光A、B、C、D运动，其运动归纳为向x的正或负方向移动一个单位，y方向保持不变，分别记为(x+1,y+0)或(x-1,y+0)；x方向保持不变，向y的正或负方向移动一个单位，分别记为(x+0,y+1)或(x+0,y-1)；结合x正向运动数字信号(5)或x反向运动数字信号(6)，y正向运动数字信号(7)或y反向运动数字信号(8)，以上运动情况归纳为表一：
表一
向上的箭头↑表示数字信号的上升沿，向下的箭头↓表示数字信号的下降沿，逻辑高平表示为“1”，对应图码的白色网格，逻辑低平表示为“0”，对应图码的黑色网格；根据表一的运动情况，对其进行二维单向编码，得到编码方程：
其中，
当确定[S]的值时，四个反射光纤传感器(100)能够在一定装配误差范围内正常工作；根据编码方程，将表一图码的运动情况编码为表二：
表二
利用编码表对四个反射光纤传感器(100)输出的数字信号进行解码和分析，从而实现二维平动和转动运动位移、速度、转角、转速的同步非接触测量。
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| CN113639761A (zh) | 2021-11-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Pei Yongchen Inventor after: Xin Qingyuan Inventor after: Qu Chuan Inventor after: Wang Dongxu Inventor after: Wang Bin Inventor after: Xu Long Inventor before: Pei Yongchen Inventor before: Qu Chuan Inventor before: Wang Dongxu Inventor before: Wang Bin Inventor before: Xu Long Inventor before: Xin Qingyuan |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |