CN117824558A - 一种高低温试验用移动机构及位移检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低温试验用移动机构及位移检测方法，涉及传感器检测技术领域，包括试验箱，试验箱的内部设置有位移组件；试验箱的外部固定连接有位移驱动组件和位移检测组件；位移组件通过绳索与位移驱动组件连接；位移组件通过驱动杆与位移检测组件连接；位移组件上安装有用于监测位移组件的位移的位移传感器；位移驱动组件、位移检测组件和位移传感器均与控制器电连接。本发明可将常规的驱动元件和位移检测元件应用于高低温试验，降低试验成本。

Description

一种高低温试验用移动机构及位移检测方法

技术领域

本发明涉及传感器检测技术，具体涉及一种高低温试验用移动机构及位移检测方法。

背景技术

传感器通常工作在各种恶劣的环境中，为保证传感器的质量，在传感器出厂前需检测在各种恶劣的环境下传感器的性能，其中就包括高低温试验，其主要用于检测传感器在高温和低温环境下的应用性能。试验温度通常低温可达-60℃，高温高于160℃，温差跨度大。

部分传感器如接近传感器、距离传感器等，该类传感器是对距离的反馈，距离反馈是否准确是判断该类传感器是否合格的最重要指标，对该类传感器做高低温试验时，需检测其在高低温环境下对位移距离的感知情况。在试验过程中需对试验件做高精度的移动以实现位移距离的变化。

然而常规的驱动元件和位移检测元件在高低温条件下无法工作或者精度不够，如步进电机的使用环境温度通常在-10℃~50℃，光栅尺的使用温度在0℃~55℃，无法直接对高低温箱内的试验件做高精度的移动以及对位移距离进行检测。部分高温电机可满足高温要求，但无法同时满足低温要求，低温电机可满足低温要求但无法同时满足高温要求，且价格昂贵。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高低温试验用移动机构及位移检测方法，解决了现有技术中常规的驱动元件和位移检测元件无法应用于高低温试验的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

第一方面，提供一种高低温试验用移动机构，其包括试验箱，试验箱的内部设置有位移组件；试验箱的外部固定连接有位移驱动组件和位移检测组件；位移组件通过绳索与位移驱动组件连接；位移组件通过驱动杆与位移检测组件连接；

位移组件上安装有用于监测位移组件的位移的位移传感器；位移驱动组件、位移检测组件和位移传感器均与控制器电连接。

本发明的有益效果为：位移驱动组件可通过绳索驱动试验箱内的位移组件移动，位移组件的移动位移被位移传感器监测，同时位移通过驱动杆传递至位移检测组件，并被位移检测组件检测到位移数据。对比分析位移传感器检测的位移数据与位移检测组件检测的位移数据，可判定该位移传感器在高低温环境下的精度是否合格。

由于位移驱动组件和位移检测组件均安装于试验箱的外部，其工作温度为室温，并不受箱内高温或低温的影响，因此采用普通、常规的驱动元件和位移检测元件即可满足试验要求，检测成本较低。

优选地，位移驱动组件包括固定于安装台上的电机，电机与控制器电连接；电机的输出轴与丝杠连接，丝杠的两侧固定有平行于丝杠的导向杆；丝杠与安装台转动连接，导向杆与安装台固定连接；丝杠与导向杆上滑动连接有外滑块，外滑块与绳索固定连接。

上述技术方案的有益效果为：电机可驱动丝杠转动，从而使外滑块沿着丝杠和导向杆做往复的直线运动，外滑块再带动绳索做往复的直线运动，然后带动试验箱中的位移组件移动。

优选地，位移组件包括固定连接在试验箱内壁的内滑台、与内滑台滑动连接的滑动板；滑动板的两端均固定连接有绳索；

位移检测组件包括光栅尺，光栅尺包括固定于安装架上的标尺光栅、与标尺光栅滑动连接的光栅读数头；驱动杆的一端与滑动板固定连接，另一端与光栅读数头固定连接。

上述技术方案的有益效果为：试验箱外的电机可以使滑动板沿着内滑台滑动，位移传感器可以实时检测滑动板的位移数据。滑动板的位移通过驱动杆带动光栅读数头移动，从而使光栅尺检测到滑动板的移动数据。

优选地，位移驱动组件与位移组件的两侧分别设置有一个换向器，四个换向器分别处于矩形的四个边角处；外滑块呈U形板状，绳索的数量为两根，每根绳索均依次连接外滑块的一端、两个换向器和滑动板的一端；两根绳索沿着四个换向器所在矩形的边线布置，并与位移驱动组件和位移组件共同围合成矩形结构；换向器包括外壳和固定于外壳中的滑轮，绳索缠绕于滑轮上。

绳索的刚性不足，只能对物体提供拉力而无法提供推力，如此布置绳索可以对滑动板的两端提供拉力。

优选地，绳索上设置有使绳索始终保持张紧状态的张紧器；张紧器包括两个固定连接在试验箱内壁上的导轨，导轨上滑动连接有滑块；两个滑块间通过张紧弹簧连接；

矩形绳索的四条边中，未设置外滑块和滑动板的两条边的中部设置有滑轮和固定在滑轮外的外壳；两个外壳分别与两个滑块固定连接，绳索缠绕于滑轮上。

上述技术方案的有益效果为：张紧器通过张紧弹簧拉伸变形后产生的收缩力对两侧的绳索施加相同大小且向内的张紧力，使绳索一直处于张紧状态。

优选地，试验箱为双层空腔的箱体，内层与外层之间填充有隔热介质；位移驱动组件和位移检测组件固定于试验箱的外层外壁。双层空腔的试验箱利用隔热层的绝热性质来减少热量的传导和对流，具有保温和隔绝温度的能力，保证内部的温度不影响到外层外壁的位移驱动组件和位移检测组件。

第二方面，本发明还提供了一种高低温试验用移动机构进行位移检测的方法，包括以下步骤：

S1、常温下采用控制器开启电机带动丝杠转动，使丝杠上的外滑块牵引绳索，以带动滑动板移动；

滑动板通过驱动杆带动光栅读数头移动，直至光栅尺的初始读数为“0”，关闭电机；

S2、保持滑动板不动，安装用于测量滑动板的位移数据的位移传感器；

S3、对试验箱进行升温或降温，到达设定试验温度时恒温控制，驱动杆发生形变伸长或缩短，并带动光栅读数头移动；当光栅尺的读数稳定后通过控制器将光栅尺的读数调零；

S4、开启电机，使滑动板和光栅读数头移动，直至光栅尺的读数显示为设定值，关闭电机；

记录此时光栅尺的测量数据与位移传感器的测量数据，对比分析两者数据差距，当数据差距超过允许误差范围时，则该位移传感器不合格，当数据差距位于允许误差范围内时，则该位移传感器合格。

在进行高低温试验前，将光栅尺和待测位移传感器的读数调零，以消除驱动杆的热胀冷缩误差。

附图说明

图1为高低温试验用移动机构的示意图；

图2为图1中各部件的结构示意图；

图3为位移驱动组件的结构示意图；

图4为张紧器的结构示意图；

图5为位移组件和位移检测组件的结构示意图。

其中，1、试验箱；2、位移驱动组件；21、电机；22、外滑块；23、安装台；24、丝杠；25、导向杆；3、位移检测组件；31、安装架；32、光栅尺；33、标尺光栅；34、光栅读数头；4、换向器；41、外壳；42、滑轮；5、绳索；6、位移组件；61、滑动板；62、内滑台；63、驱动杆；7、控制器；8、张紧器；81、张紧弹簧；82、滑块；83、导轨。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，本方案的高低温试验用移动机构包括试验箱1，试验箱1的内部设置有位移组件6；试验箱1的外部固定连接有位移驱动组件2和位移检测组件3；位移组件6通过绳索5与位移驱动组件2连接；位移组件6通过驱动杆63与位移检测组件3连接；位移通过驱动杆63传递至位移检测组件3，并被位移检测组件3检测到位移数据。

位移组件6上安装有用于监测位移组件6的位移的位移传感器；位移驱动组件2、位移检测组件3和位移传感器均与控制器7电连接。位移驱动组件2可通过绳索5驱动试验箱1内的位移组件6移动，位移组件6的移动位移被位移传感器监测，位移传感器即为试验的待测件。对比分析位移传感器检测的位移数据与位移检测组件3检测的位移数据，可判定该位移传感器在高低温环境下的精度是否合格。

绳索5优选为高强度且耐高低温（-60℃~160℃）的材质制成，例如钢丝绳。控制器7可以是带有plc元件的工业控制器。由于位移驱动组件2和位移检测组件3均安装于试验箱1的外部，其工作温度为室温，并不受箱内高温或低温的影响，因此采用普通、常规的驱动元件和位移检测元件即可满足试验要求，检测成本较低。

如图3所示，位移驱动组件2包括固定于安装台23上的电机21，电机21与控制器7电连接；电机21的输出轴与丝杠24连接，丝杠24的两侧固定有平行于丝杠24的导向杆25。大部分工业用丝杠24的工作温度范围通常在-20摄氏度到80摄氏度之间。在高温环境下，丝杠24材料可能会发生变形、软化甚至失去强度，导致丝杠24的性能下降甚至失效，因此丝杠24也需安装在试验箱1外部。

丝杠24与安装台23转动连接，导向杆25与安装台23固定连接，导向杆25可防止外滑块22转动。丝杠24与导向杆25上滑动连接有外滑块22，外滑块22与绳索5固定连接。电机21可驱动丝杠24转动，从而使外滑块22沿着丝杠24和导向杆25做往复的直线运动，外滑块22再带动绳索5做往复的直线运动，然后带动试验箱1中的位移组件6移动。电机21、丝杠24与外滑块22组成的位移驱动组件2的运动精度高，适合高精度位移传感器的试验检测。丝杠24为可自锁的T型丝杆，保证电机21未旋转时外滑块22不会出现滑动。

如图5所示，位移组件6包括固定连接在试验箱1内壁的内滑台62、与内滑台62滑动连接的滑动板61；滑动板61的两端均固定连接有绳索5。试验箱1外的电机21可以使滑动板61沿着内滑台62滑动，位移传感器可以实时检测滑动板61的位移数据。

位移检测组件3包括光栅尺32，光栅尺32包括固定于安装架31上的标尺光栅33、与标尺光栅33滑动连接的光栅读数头34；驱动杆63的一端与滑动板61固定连接，另一端与光栅读数头34固定连接。滑动板61的位移通过驱动杆63带动光栅读数头34移动，从而使光栅尺32检测到滑动板61的移动数据。

光栅尺32的测量原理为：标尺光栅33上覆盖着光学膜和光栅条纹，光栅条纹是由等距的黑白条纹组成的。标尺光栅33与光栅读数头34相对运动时，标尺光栅33上的黑白条纹会被光栅读数头34上的光电元件所感知，产生电信号，通过处理电路转换成数字信号，实现位置和运动状态的测量。测量精度可达1μm。驱动杆63穿出试验箱1的位置开孔并做隔热处理，以便驱动杆63可以自由运动，绳索5同理。

再次参考图2和图3，位移驱动组件2与位移组件6的两侧分别设置有一个换向器4，四个换向器4分别处于矩形的四个边角处；外滑块22呈U形板状，绳索5的数量为两根，每根绳索5均依次连接外滑块22的一端、两个换向器4和滑动板61的一端；两根绳索5沿着四个换向器4所在矩形的边线布置，并与位移驱动组件2和位移组件6共同围合成矩形结构；换向器4包括外壳41和固定于外壳41中的滑轮42，绳索5缠绕于滑轮42上。

换向器4主要用于使绳索5换向。绳索5的刚性不足，只能对物体提供拉力而无法提供推力，如此布置绳索5可以对滑动板61的两端提供拉力。外滑块22的往复运动可以通过两根绳索5带动滑动板61也做往复运动，避免滑动板61只能单方向运动而无法复位。

绳索5上设置有使绳索5始终保持张紧状态的张紧器8。如图4所示，张紧器8包括两个固定连接在试验箱1内壁上的导轨83，导轨83上滑动连接有滑块82；两个滑块82间通过张紧弹簧81连接；矩形绳索5的四条边中，未设置外滑块22和滑动板61的两条边的中部设置有滑轮42和固定在滑轮42外的外壳41；两个外壳41分别与两个滑块82固定连接，绳索5同样缠绕于滑轮42上。

张紧弹簧81的两侧分别向内拉动两个滑块82，两个滑块82再分别向内拉动两个外壳41，从而拉动绳索5。张紧器8通过张紧弹簧81拉伸变形后产生的收缩力对两侧的绳索5施加相同大小且向内的张紧力，使绳索5一直处于张紧状态。张紧器8可以使绳索5一直处于张紧状态，即使绳索5受温度影响发生伸长或收缩，张紧的绳索5仍然能够稳定地向滑动板61的两侧提供相等的拉力，使滑动板61保持静止的平衡状态，因此可以保证电机21未旋转时，滑动板61不会出现移动，提高试验的精度。

值得一提的是，现有技术中传感器检测试验装置采用的常规传动装置并非通过绳索5传动，而是通过传动轴、齿轮等传动。在发明过程中，发明人经历了方案的多次设想与改进，例如在发明人的初代方案设想中，依照惯例采用了常规的刚性传动轴连接位移驱动组件2和滑动板61。并且发明人考虑到光栅尺32不适用于高低温环境，无法直接放置在试验箱1内检测滑动板61的位移，因此位移检测组件3是通过检测电机21输出轴的旋转来间接计算出滑动板61的移动距离。

在以上初代方案中，发明人认识到试验箱1内的高低温变化时，刚性的传动轴会受温度变化的影响，发生膨胀或收缩，这种长度变化会直接导致滑动板61移动，而位移检测组件3无法检测到传动轴的伸缩，因此位移检测组件3的检测结果与位移传感器的检测结果不一致，从而导致部分本来合格的传感器被判定为不合格，一部分本来不合格的产品被判定为合格产品。

传动轴越长，受温度变化影响的膨胀或收缩越大，精度就越低。如传动轴的常用材料，Q235材料的线膨胀系数约为12×10^-6/℃，1米长的Q235从-60℃升到160℃，会伸长约2.64mm。高精度位移传感器的精度可达到1μm，传动轴受温度影响的伸缩显然会影响试验检测结果，现有手段无法避免传动轴受温度变化膨胀或收缩对精度影响，无法满足高精度传感器的检测要求。

因此发明人提出了改进方案，即本申请中的方案。通过驱动杆63连接滑动板61与光栅读数头34，使光栅尺32能够安装在试验箱1的外部，同时使滑动板61的位移与光栅读数头34的位移相等，因此可以消除热胀冷缩带来的检测误差。绳索5具有弯曲适应性，可以换向，可以在弯曲轨迹上传递动力，而传动轴只能适用于直线传动轨迹。采用绳索5能够将电机21和丝杠24等位移驱动组件2均安装在试验箱1的外壁上，节约试验占地面积和占用空间。绳索5可以完成长距离传动。

且刚性的传动轴受温度影响进行伸缩时，会带动滑动板61移动，会对试验结果产生影响。而绳索5的伸缩则不会带动滑动板61移动。由于两根绳索5的材质相同，受温度影响的伸长或缩短量相同，滑动板61的两侧随时被绳索5以相同的拉力拉住，因而滑动板61始终受力平衡，不会移动。具体地，当绳索5伸长时会略微松弛，此时两端的拉力同时减小，但张紧器8可以将略微松弛的绳索5再度拉紧，使之保持张紧状态。当绳索5缩短时，此时两端的拉力同时增大，滑动板61仍然受力平衡。

再次参考图1，试验箱1为双层空腔的箱体，内层与外层之间填充有隔热介质，隔热介质的材料可以是超细玻璃纤维棉。位移驱动组件2和位移检测组件3固定于试验箱1的外层外壁。双层空腔的试验箱1利用隔热层的绝热性质来减少热量的传导和对流，具有保温和隔绝温度的能力，保证内部的温度不影响到外层外壁的位移驱动组件2和位移检测组件3。

本发明进行位移检测的方法包括以下步骤：

S1、常温下采用控制器7开启电机21带动丝杠24转动，使丝杠24上的外滑块22牵引绳索5，以带动滑动板61移动；

滑动板61通过驱动杆63带动光栅读数头34移动，直至光栅尺32的初始读数为“0”，关闭电机21；

S2、保持滑动板61不动，安装用于测量滑动板61的位移数据的位移传感器；

S3、对试验箱1进行升温或降温，到达设定试验温度时恒温控制，驱动杆63发生形变伸长或缩短，并带动光栅读数头34移动；当光栅尺32的读数稳定后通过控制器7将光栅尺32的读数调零；

S4、开启电机21，使滑动板61和光栅读数头34移动，直至光栅尺32的读数显示为设定值，关闭电机21；

记录此时光栅尺32的测量数据与位移传感器的测量数据，对比分析两者数据差距，当数据差距超过允许误差范围时，则该位移传感器不合格，当数据差距位于允许误差范围内时，则该位移传感器合格。

在进行高低温试验前，将光栅尺32和待测位移传感器的读数调零，以消除驱动杆63的热胀冷缩误差。驱动杆63受高/低温影响也会伸长/缩短，由于滑动板61的重量远大于光栅读数头34，因此驱动杆63不会使滑动板61移动而会使光栅读数头34移动，导致光栅尺32的读数发生变化，位移传感器测得的数据与光栅尺32测得的数据产生误差，因此需采取补偿措施消除误差。恒温后通过控制器7直接将光栅尺32因热胀冷缩产生的读数值减去，使其初始读数为零，避免了温度变化对移动精度的影响，使光栅尺32和待测位移传感器测得的数据对比显示更为直观。

综上所述，本发明可采用普通、常规的驱动元件和位移检测元件应用于高低温试验中，不仅满足试验要求，并且检测成本较低。

Claims (7)

1.一种高低温试验用移动机构，其特征在于：包括试验箱（1），所述试验箱（1）的内部设置有位移组件（6）；试验箱（1）的外部固定连接有位移驱动组件（2）和位移检测组件（3）；所述位移组件（6）通过绳索（5）与所述位移驱动组件（2）连接；所述位移组件（6）通过驱动杆（63）与所述位移检测组件（3）连接；

位移组件（6）上安装有用于监测位移组件（6）的位移的位移传感器；位移驱动组件（2）、位移检测组件（3）和位移传感器均与控制器（7）电连接。

2.根据权利要求1所述的高低温试验用移动机构，其特征在于：所述位移驱动组件（2）包括固定于安装台（23）上的电机（21），电机（21）与控制器（7）电连接；所述电机（21）的输出轴与丝杠（24）连接，丝杠（24）的两侧固定有平行于丝杠（24）的导向杆（25）；所述丝杠（24）与所述安装台（23）转动连接，所述导向杆（25）与安装台（23）固定连接；

丝杠（24）与导向杆（25）上滑动连接有外滑块（22），外滑块（22）与所述绳索（5）固定连接。

3.根据权利要求2所述的高低温试验用移动机构，其特征在于：所述位移组件（6）包括固定连接在试验箱（1）内壁的内滑台（62）、与内滑台（62）滑动连接的滑动板（61）；所述滑动板（61）的两端均固定连接有所述绳索（5）；

所述位移检测组件（3）包括光栅尺（32），光栅尺（32）包括固定于安装架（31）上的标尺光栅（33）、与标尺光栅（33）滑动连接的光栅读数头（34）；所述驱动杆（63）的一端与滑动板（61）固定连接，另一端与光栅读数头（34）固定连接。

4.根据权利要求3所述的高低温试验用移动机构，其特征在于：所述位移驱动组件（2）与位移组件（6）的两侧分别设置有一个换向器（4），四个换向器（4）分别处于矩形的四个边角处；

所述外滑块（22）呈U形板状，绳索（5）的数量为两根，每根绳索（5）均依次连接外滑块（22）的一端、两个换向器（4）和滑动板（61）的一端；两根绳索（5）沿着四个换向器（4）所在矩形的边线布置，并与位移驱动组件（2）和位移组件（6）共同围合成矩形结构；

所述换向器（4）包括外壳（41）和固定于外壳（41）中的滑轮（42），所述绳索（5）缠绕于所述滑轮（42）上。

5.根据权利要求4所述的高低温试验用移动机构，其特征在于：所述绳索（5）上设置有使绳索（5）始终保持张紧状态的张紧器（8）；所述张紧器（8）包括两个固定连接在试验箱（1）内壁上的导轨（83），所述导轨（83）上滑动连接有滑块（82）；两个所述滑块（82）间通过张紧弹簧（81）连接；

矩形绳索（5）的四条边中，未设置外滑块（22）和滑动板（61）的两条边的中部设置有滑轮（42）和固定在滑轮（42）外的外壳（41）；两个外壳（41）分别与两个滑块（82）固定连接，绳索（5）缠绕于滑轮（42）上。

6.根据权利要求1所述的高低温试验用移动机构，其特征在于：所述试验箱（1）为双层空腔的箱体，内层与外层之间填充有隔热介质；所述位移驱动组件（2）和位移检测组件（3）固定于试验箱（1）的外层外壁。

7.一种权利要求1-6任一所述的高低温试验用移动机构的位移检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、常温下采用控制器（7）开启电机（21）带动丝杠（24）转动，使丝杠（24）上的外滑块（22）牵引绳索（5），以带动滑动板（61）移动；

滑动板（61）通过驱动杆（63）带动光栅读数头（34）移动，直至光栅尺（32）的初始读数为“0”，关闭电机（21）；

S2、保持滑动板（61）不动，安装用于测量滑动板（61）的位移数据的位移传感器；

S3、对试验箱（1）进行升温或降温，到达设定试验温度时恒温控制，驱动杆（63）发生形变伸长或缩短，并带动光栅读数头（34）移动；当光栅尺（32）的读数稳定后通过控制器（7）将光栅尺（32）的读数调零；

S4、开启电机（21），使滑动板（61）和光栅读数头（34）移动，直至光栅尺（32）的读数显示为设定值，关闭电机（21）；

记录此时光栅尺（32）的测量数据与位移传感器的测量数据，对比分析两者数据差距，当数据差距超过允许误差范围时，则该位移传感器不合格，当数据差距位于允许误差范围内时，则该位移传感器合格。