CN1300547C - 一种新型位移计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型位移计，它包括：激光源，用于进行激光测距；激光测距组件，与激光源相配进行激光测距；悬浮系统，用于使激光源处于悬浮状态；信号处理装置，对测量值进行处理后显示或输出；上述激光源、激光测距组件和悬浮系统均设置在一机体内，激光测距组件的测量输出端与信号处理装置相连。由于本发明采用了悬浮技术与激光测距技术，因此所测试的位移量是绝对位移量，测试精度达纳米级，克服了传统位移计的缺点，无相移变化，且在较宽的频带内频响平坦，甚至能测试静位移，具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，在诸如航空航天、机器人制造、兵器制造、工程振动测试等许多领域具有广泛的应用前景。

Description

一种新型位移计

技术领域

本发明涉及一种高精度位移测量装置。

背景技术

在测试与控制领域中，传感器作为必不可少的重要元件，其质量的优劣直接决定着整个过程的成败，且随着现代科学技术的迅猛发展，测量与控制的参数也越来越多，已越来越广泛地应用于航空、航天、兵器、船舶、交通运输、计量等各种领域，并正在引入人们的日常生活中。但目前工程中使用的位移计多为速度型位移计，并非真正意义上的位移计，这种类型的位移计是通过积分电路将实际测试的速度量积分转换成位移量，需要与二次仪表，如应变仪、数值电压表等配套使用，其频带较窄、测量灵敏度相对较低，通常需要借助放大器以提高其测量灵敏度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有线性相位及在较宽的频带内频响平坦的高精度位移计。

为实现上述目的，本发明位移计包括：

激光源，用于进行激光测距；

激光测距组件，与激光源相配进行激光测距；

悬浮系统，用于使激光源处于悬浮状态；

信号处理装置，对测量值进行处理后显示或输出；

上述激光源、激光测距组件和悬浮系统均设置在一机体内，激光测距组件的测量输出端与信号处理装置相连；

所述激光测距组件包括激光光栅，该激光光栅设置在与激光头悬浮位置相对应处，使得激光头的发射光在机体发生位移时可扫过激光光栅。

进一步地，所述激光源包括一个或两个或三个激光头，其发射方向分别呈一维、二维、三维状。

进一步地，所述激光光栅位于机体的内壁上，围绕激光头设置。

进一步地，所述激光测距组件包括CCD位置传感器，该CCD位置传感器设置在与激光头悬浮位置相对应处，使得激光头的发射光在机体发生位移时可扫过其感应面。

进一步地，所述激光测距组件包括激光测距接收器，机体内设置有与激光头相对应的反射镜，激光测距接收器设置在激光的反射光路径上。

进一步地，所述悬浮系统位于机体内腔底部中央处，激光源位于悬浮系统正上方。

进一步地，所述悬浮系统可为磁悬浮装置，包括：

转子，激光头设置在该转子上；

执行器，主要由电磁铁和功率放大器构成，转子可在电磁铁的磁力作用下处于稳定的悬浮状态；

传感器，用于检测转子偏离参考点的位移；

控制器，包括微处理器，用于将传感器检测到的位移变换成控制信号输出给执行器，通过调整执行器中电磁铁磁力的大小保持转子处于悬浮状态；

传感器的输出端与控制器相连，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来的平衡位置。

进一步地，所述悬浮系统可为气悬浮装置，包括：

气囊，激光头设置在其顶部的拾震部位；

传感器，用于检测拾震部位偏离参考点的位移；

执行器，主要由放大器和充气装置构成；

控制器，包括微处理器，用于将传感器检测到的位移变换成控制信号输出给执行器，通过调整执行器中充气装置充气量的大小保持拾震部位处于悬浮状态；

传感器的输出端与控制器相连，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后放大器将这一控制信号输送给充气装置，继而充气装置给气囊充气，从而驱动拾震部位返回到原来的平衡位置。

本发明采用磁悬浮或气悬浮装置将激光头悬浮起来，使其保持绝对静止，当被测物体发生运动时，安装其上的位移计机体亦同步发生运动，使得静止悬浮在空中的激光头相对于位移计机体发生移位、产生相对运动，从而利用多种激光测距技术就能获得精确的运动位移量。

由于本发明位移计采用了悬浮技术与激光测距技术，因此所测试的位移量是绝对位移量，测试精度达纳米级，克服了传统位移计的缺点，无相移变化，且在较宽的频带内频响平坦，甚至能测试静位移，具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，在诸如航空航天、机器人制造、兵器制造、工程振动测试等许多领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例的结构原理示意图；

图2为磁悬浮系统的组成示意图；

图3为气悬浮系统的结构框图；

图4为采用CCD传感器进行激光测距的结构原理示意图；

图5为采用激光测距接收器进行激光测距的结构原理示意图；

具体实施方式：

如图1所示，摆体3、激光光栅4和悬浮系统5均设置在机体1内，激光光栅4的测量输出端与信号处理装置相连，信号处理装置对测量值进行处理后显示或输出，悬浮系统5位于机体内腔底部中央处，摆体3位于悬浮系统5的正上方，可在悬浮系统5的作用下处于绝对静止的悬浮状态，摆体3上设置有激光头10，激光光栅4设置在机体内的四壁上，当激光头10处于悬浮状态时，恰好位于激光光栅4的测量范围之内，当机体1发生位移时，激光头10发出的激光束在激光光栅4上发生位移，从而依据激光光栅4即可读取运动位移量。

如图2所示，磁悬浮装置主要由转子11、传感器6、控制器7、功率放大器8、电磁铁9组成，激光头设置在转子11上，转子11在电磁铁9的磁力作用下处于稳定的悬浮状态，如果在参考位置上，转子11受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器6检测出转子11偏离参考点的位移，作为控制器7的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器8将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在电磁铁9中产生磁力，从而驱动转子11返回到原来平衡位置，因此，不论转11子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

悬浮系统也可采用气悬浮装置，如图3所示，气悬浮装置主要由位移传感器、控制器、功率放大器、充气装置及气囊等部分组成，激光头设置在其顶部的拾震部位，如果在参考位置上，置于气囊上部的拾震部位发生扰动，偏离其参考位置，这时传感器检测出拾震部位偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号输送给气悬浮系统内的充气装置，继而充气装置给气囊充气，从而驱动拾震部分返回到原来的平衡位置。

当然，激光测距也不局限于激光光栅，也可采用CCD位置传感器，如图4所示，CCD位置传感器21的信号输出端与信号处理装置24相连，CCD位置传感器2 1设置在与激光头22悬浮位置相对应处，使得激光头22的发射光在CCD位置传感器21随机体23发生位移时可扫过其感应面，位移也由此测得。

激光测距还可采用发展比较成熟的光波测距方式，即根据D＝ct的计算公式得出位移量，D为两点距离，c为光速，t为激光走完这段距离所需的时间，如图5所示，反射镜32设置在机体内壁上，与激光头31相对，激光测距接收器33设置在反射光路径上，其输出端与信号处理装置34相连，当机体随被测物发生位移时，悬浮静止的激光头31与反射镜32之间也产生相同的位移，激光测距接收器33可随时检测两者相对运动的位移量并换算输出。

本发明位移计的几何尺寸视测量范围而定，如果测量范围大，则悬浮系统需要有很宽的悬浮场力，因此位移计几何尺寸相对的也会较大，对于通常的工程振动位移测量，位移计的几何尺寸可与其它类型位移计的相当。

Claims (8)

1、一种新型位移计，其特征在于，它包括：

激光源，用于进行激光测距；

激光测距组件，与激光源相配进行激光测距；

悬浮系统，用于使激光源处于悬浮状态；

信号处理装置，对测量值进行处理后显示或输出；

上述激光源、激光测距组件和悬浮系统均设置在一机体内，激光测距组件的测量输出端与信号处理装置相连；

所述激光测距组件包括激光光栅，该激光光栅设置在与激光头悬浮位置相对应处，使得激光头的发射光在机体发生位移时扫过激光光栅。

2、如权利要求1所述的一种新型位移计，其特征在于，所述激光源包括一个或两个或三个激光头，其发射方向分别呈一维、二维、三维状。

3、如权利要求1所述的一种新型位移计，其特征在于，所述激光光栅位于机体的内壁上，围绕激光头设置。

4、如权利要求1所述的一种新型位移计，其特征在于，所述激光测距组件包括CCD传感器，该CCD传感器设置在与激光头悬浮位置相对应处，使得激光头的发射光在机体发生位移时扫过其感应面。

5、如权利要求1所述的一种新型位移计，其特征在于，所述激光测距组件包括激光测距接收器，机体内设置有与激光头相对应的反射镜，激光测距接收器设置在激光的反射光路径上。

6、如权利要求1所述的一种新型位移计，其特征在于，所述悬浮系统位于机体内腔底部中央处，激光源位于悬浮系统正上方。

7、如权利要求2至6任一所述的一种新型位移计，其特征在于，所述悬浮系统为磁悬浮装置，包括：

转子，激光头设置在该转子上；

执行器，包括电磁铁和功率放大器，转子可在电磁铁的磁力作用下处于稳定的悬浮状态；

传感器，用于检测转子偏离参考点的位移；

控制器，包括微处理器，用于将传感器检测到的位移变换成控制信号输出给执行器，通过调整执行器中电磁铁磁力的大小保持转子处于悬浮状态；

传感器的输出端与控制器相连，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来的平衡位置。

8、如权利要求2至6任一所述的一种新型位移计，其特征在于，所述悬浮系统为气悬浮装置，包括：

气囊，激光头设置在其顶部的拾震部位；

传感器，用于检测拾震部位偏离参考点的位移；

执行器，包括放大器和充气装置；

控制器，包括微处理器，用于将传感器检测到的位移变换成控制信号输出给执行器，通过调整执行器中充气装置充气量的大小保持拾震部位处于悬浮状态；

传感器的输出端与控制器相连，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后放大器将这一控制信号输送给充气装置，继而充气装置给气囊充气，从而驱动拾震部位返回到原来的平衡位置。