CN1415934A - 滚动电容性位移测量传感器及其在电子数显量具上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种测量长度和角度的电子数显量具，特别是一种以电容性位移形式作为信号输出的传感器，它由传感头和功能显示两个模块构成，传感头模块包括外壳、主栅、副栅、电路板、连接线路，主栅和副栅做成圆柱体，它固定在滚动轴的一端，滚动轴1；与测量移动体相靠，功能显示模块由外壳、测量电路IC、单片机、显示屏、功能按键等组成，两模块之间的电器用接插件和导电电缆联接，这种传感器不但能在长度测量器具如卡尺、量表、千分尺、测量标尺等方面应用，而且还能在角度测量仪器和称重、压力和其它专用仪器上得到广泛应用。

Description

滚动电容性位移测量传感器及其在电子数显量具上的应用

技术领域：

本发明涉及一种测量长度和角度的电子数显量具，特别是一种以电容性位移形式作为信号输出的传感器及其这种传感器在测量长度和角度方面的电子数显量具中的应用。

背景技术：

现有公开文献报道和市场销售的电容性数显量具主要分为直线和角度测量两个独立系统，两个系统之间的机械构件和传感器、电路都不相同，不能互换。直线位移测量系统由副栅电子组件和主栅构成、测量电路分累计计数和有限长度内绝对计数两种。直线位移测量系统主栅裸露、密封困难，提高系统测量精度主要依靠细分主、副栅栅距来实现，如果要进一步提高测量精度、扩展测量范围，实现全量程的绝对测量，必须对测量系统的系统误差进行计算机补偿，将电容测量电路作全密封设计，提高其工作可靠性和环境适应能力，而电容性传感器的部件模块化、标准化、系列化均难以做到，大大影响了电容性位移传感器的扩展应用。角度测量系统的电容性数显量具也存在传感器的部件模块要专门根据机械构件进行设计，密封困难，系统测量精度很难提高。所以量具工厂生产直线测量量具和角度测量量具都使用不同的设计思路和不同的生产方法，零部件不能做到模块化、标准化、系列化。

此外，目前采用的一些称重、压力和其它专用仪器、以及铁路测量仪器、数控机床、化工生产等领域使用的仪表传感器有许多形式，有的结构复杂，有的测量误差较大，使仪器仪表制造业很难有统一的规范。

技术内容：

为了使电容性位移传感器系列化、标准化、模块化，提高其环境适应能力、增加工作可靠性、扩大测量范围，引入系统误差的计算机补偿功能，使其不但能在长度测量器具如卡尺、量表、千分尺、测量标尺等方面应用而且还能在测角、称重、压力和其它专用仪器上得到广泛应用，本发明人经过多年的研究和探索，在充分了解国内外机械量具和电子数显量具的设计、制造过程以及自80年代末开始发明全新的电容性位移传感器，并将其应用在各种电子数显量具后，意识到为了将电子数显量具做得更精确、方便使用，必须对传感器和某些机械构件进行改进，才能使电子数显量具部件模块化、标准化、系列化，并在其它领域扩展它的用途。

本发明是这样实现的：滚动电容性位移测量传感器由传感头和功能显示两个模块构成。传感头模块包括外壳、主栅、副栅、电路板、数模转换IC、连接线路，其特点是，主栅和副栅做成圆柱体，而不是如现有长条形栅条，它固定在滚动轴的一端，滚动轴测量移动体(移动体可以是卡尺、数显标尺的尺体或量表、千分尺测杆，也可以是测角器的回旋体，也可以是称重、压力弹性元件的支撑轴)相靠，滚轮轴采用刚性材料，另一侧为压轮和支座弹片，支座弹片固定在壳体上，压片的一侧也紧压在压轮轴上，外壳与支座弹片之间还设有调整螺钉，用以调整弹簧片压迫压板的强度。

功能显示模块由外壳、测量电路IC(PCB板)、单片机、显示屏(LCD)、功能按键等组成，两模块之间的电路用接插件和导电电缆(导电软带)联接。

在普通的数显量具，如数显卡尺、数显百分表、数显千分表、数显卡规等仪器中，滚动轴一端只装配一套容栅圆柱体，测量电路也只有一套，可以适应普通的测量需求；而在数控机床、铁路测量等需要扩充测量量程或需要对位移量进行绝对值标定时，在滚动轴的端头接有延长轴和传动轴，延长轴和传动轴上面分别固定有一组或两组差动传动轮，每组差动传动轮带有一套容栅圆柱体，并附设一套电路，其中第一路电路实现位移测量，第二路电路对第一路电路的位移量进行绝对值标定，第三路电路通过差动圆容栅扩展其测量量程，三个电路组合成一个大量程的绝对测量系统，如要获得更大量程的测量系统，可增加差动轮系的组数，以致达到无限长度的绝对测量。这样利用普通的容栅位移传感器可以大大扩展其测量范围和量程。

上述三个电路的测量系统都单独做成三个传感器，三个传感器分别与三个测量电路IC连接，三个测量电路IC再连到单片机上。

位移测量传感器为多节距的主栅和副栅构成，位移量绝对值标定的传感器和扩展测量量程的传感器为单节距副栅和主栅构成。

本发明测量电路IC包括振动电路OSC、分频器、加减计数器、位移寄存器、多路转换器、控制器、调制放大器、鉴相器、多路信号发生器、零位检测器，振动电路OSC接分频器，分频器分几路与加减计数器、位移寄存器、多路转换器、控制器、鉴相器、多路信号发生器相连，传感器信号由AMPI输入调制放大器、鉴相器经零位检测器将零位信号J0输至功能模块的单片机，单片机还接受其窜行数据输出信号SSY和并行输出信号D1-D4，并向其发出取数信号REG、位移信号SCK及半频工作信号POF。

本发明的工作原理是：

当位移元件发生位移时，支座弹片将滚轮轴紧压在移动体上，滚轮轴随之发生无滑移的转动，滚轮轴和移动体刚性接触，保证位移量的准确传递，其副栅上封装有数模转换电路并固定在支撑体上，主栅随滚轮轴转动，位移量由数模转换电路转换成电信号输出，其信号由功能显示模块进行数据处理后实现各种功能并由显示屏显示。移动体可以是卡尺、数显标尺的尺体或量表、千分尺测杆，也可以是测角器的回旋体，也可以是称重、压力弹性元件的支撑轴，可对直线位移和旋转运动进行位移量测量，而达到广泛应用在各个测量领域的目的。

滚动电容位移传感器的测量电路工作原理是一鉴相型电容位移测量电路，由OSC产生主振频率，经分频后供给移位寄存器，加减计数器，鉴相器多路信号发生器工作使用、多路信号发生器产生多相激励信号经容栅传感器合成后产生调制频率的载波正弦信号AMPI经调制放大器放大、鉴相器检出初相角后输入加减计数器和移位寄存器进行计数运行，再经多路转换器和控制器将位移传感器信号格式化并和后续的单片机电路进行通讯，鉴相器信号经零位检测器检出正弦信号的过零点，使一节距内的电信号和节距数分别计数，克服了累计计数响应速度慢的缺点。

具有无限量程的绝对测量系统功能、显示单元的专用单片机三路电路原理如下：第一路、电路驱动一多节距圆容栅，其节距数根据测量仪器所需的分辨率和测量精度而定；第二路为一单节距的圆容栅电路，因为容栅电路在一个单节距内主、副栅的相对位置和传感器输出电量具有一一对应关系，将第一、第二路传感器同轴安装，并将两路信号输入单片机处理后，可用第二路传感器主、副栅的一一对应点，对第一路传感器的主、副栅位置进行标定，使第一路传感器的电信号输出值和其主、副栅相对位置呈一一对应关系，达到对主、副栅相对位移绝对测量的目的。第三路传感器主、副栅由第一、第二路传感器驱动，亦为一圆容栅电路、主、副栅组成一差动构件，即一、二路传感器每旋转一周、三路传感器的主、副相应相互转动1/N周，从而达到扩展一、二路传感器的绝对测量量程，根据测量位移量的增加，可用多组差动传感器来适应其测量需要，从理论上其测量范围可延伸至无限大。因上述传感器组合可实现位移量的绝对测量，其被测对象的位置与电信号有固定的一一对应关系，我们就可以在后续的单片机电路中引入误差补偿电路，对传感器的系统误差进行修正，提高其测量精度，单片机电路还设置针对滚动轮轮径修正电路，使滚动轮的机械制作误差能通过电路得到修正。滚动容栅的滚动轴径一经确定其每转周长即可确定，与其同轴安装的圆容栅一个节距对应一组脉冲数值，调整圆容栅的节距数，即可改变滚动轴每运动一周的电脉冲输出数量从而实现将滚动轴的机械位移，按比例扩展为电脉冲量，此比例系数为可任意设置并可通过修正电路。对其进行修正。这样就形成了一个精密的机电杠杆构件。

与已有技术相比，本发明的优点是：

一、滚轮轴与移动体接触产生的摩擦力，使移动体在移动时能带动滚轮轴转动，从而将直线位移或角度位移转变为旋转运动，其中滚轮轴采用刚性材料，使移动体移动时的位移可靠的传递到滚动轴上；

二、滚轮轴与移动体刚性接触传递位移尺寸。滚轮轴与移动体为刚性接触，使滚轮轴在滚动时与移动体的接触圆周半径不会改变，确保移动体的位移量准确转移到固定在滚轮轴上的主栅上。

三.用支座弹片保证滚轮轴的接触压力，支座弹片保证滚轮轴在运动方向上不产生附加位移。在对应于滚轮轴的支座上面固定有一支座弹片，支座弹片同时固定在支撑体上，支座弹片使滚动轴与移动体可靠接触，同时防止滚动轴在位移方向发生窜动，在支撑体上还有一调节螺钉，通过调节调节螺钉的高低，使支座、滚动轴和传感器主栅、副栅同时发生微小的倾斜，使滚动轴与移动体的接触圆周直径发生改变，可在全量程内进行误差补偿；

四.滚动轴和传感器主栅、副栅及其采样电路合为一体，形成一个独立单元，数据显示及其功能实现为另一独立体系，均为模块结构，利于产品大批量生产和功能变形。

五.传感头的测量电路由三路组成，三路传感元件均为圆容栅组成第一路电路实现位移测量，第二路电路对第一路电路的位移量进行绝对值标定，第三路电路通过差动圆容栅扩展其测量量程，三个电路组合成一个无限量程的绝对测量系统。功能显示电路由专用单片机构成，由不同的输入程序实现各种数据处理，完成不同的操作功能和显示方式，并具有分段误差补偿功能，可对传感器的全量程的系统误差进行分段补偿。

六.固定尺寸的滚动轴，通过配置不同节距数的圆容栅可改变输入机械位移量转变成各种不同脉冲当量数值的电信号输出，达到不同的测量分辨率和不同等级的测量精度，实现机电杠杆功能，其杠杆比可通过单片机的杠杆比例系数调节电路进行调节，达到高精度转换目的。

七.单片机电路具有数据修正口和功能扩展口。方便对传感器系统误差和滚轮尺寸制作误差进行修正，当单片机内存不足进，可通过功能扩展口进行电路功能扩展。

八、本发明的这种传感器不但能在长度测量器具如卡尺、量表、千分尺、测量标尺等方面得到应用，而且还能在角度测量仪器和称重、压力和其它专用仪器上得到广泛应用，使电子数显量具部件模块化、标准化、系列化，并在其它领域扩展它的用途。

附图说明：

图1、滚动电容性直线位移传感器主视图；

图2、滚动电容性直线位移传感器侧视图；

图3、滚动电容性角位移传感器侧视图；

图4、滚动电容性角位移传感器主视图；

图5、全防水数显卡尺剖视图；

图6全防水数显卡尺剖视图；

图7全防水数显卡尺主视图；

图8数显量表剖视图；

图9数显量表结构图；

图10直移式数显千分尺剖视图。

图11直移式数显千分尺结构图。

图12直移式数显千分尺主视图。

图13多节距副栅

图14多节距主栅

图15单节距副栅

图16单节距主栅

图17专用单片机原理框图

图18数模转模IC原理框图

图19电子台称实施例原理图

图20电子台称杠杆结构图

图21数显压力表实施例原理图

具体实施方式

图1和图2给出滚动电容性直线位移传感器的结构示意图，它由支座弹片7、支座23将滚动轴8压紧在位移体(滚珠导轨)24上，将位移体24的位移无滑移的传递到固定在滚动轴8上的多节距主栅12、14上，多节距主栅12、14与多节距副栅11和13作相对运动；滚动轴8固定在支撑体9上，在滚动轴8的端头接有延长轴10，延长轴10固定有差动传动轮A15、差动传动轮B16，每组差动传动轮带有一套容栅圆柱体，上面设有传动轮2和6，带动单节距副栅3和传动轴1，使单节距副栅3与单节距主栅4进行相对运动，作差动运行，即滚动轴8转动一周，单节距副栅3和单节距主栅4相对转动1/N周，支座19、23通过支座弹片17、22压紧在外壳18上使其不能产生轴向位移，传动轴1带动的传动轮2和6也用支座弹片5压紧。传感器附设有一套电路，副栅11、13、3上焊接有数模转换IC，三路IC将数据通过导电软带输送到功能显示模块中的PCB板上，PCB板上安装有专用单片机，信号经单片机处理后，实现各种功能并通过液晶显示器20显示，显示器20上设有显示屏25和按键21。

图3、图4给出滚动电容性角位移器了结构原理，它由支座弹片7、支座23将滚动轴8紧压在转动位移体24上，将位移体24的旋转位移量传递到主栅12上，支座23、支座弹片7、滚动轮8都固定在传动轴34上，传动轴34上的主栅14转动后由副栅13上输出的信号对其圆周运动位置给予绝对值标定，差动传动轮A15、差动传动轮B16，副栅3、主栅4对其转动圈数进行计数，副栅3、11、13上封存装有数模转换IC将电信号通过导电软带28、29、30转送到功能显示模块的PCB板26由封装在上面的专用单片机运算处理后显示出来。其余各零部件与图1和图2相同。

图5、图6和图7给出了全防水数显卡尺的结构示意图，图7是全防水数显卡尺的外部结构图，它有安装有外壳20、按键21和显示屏25，图5是滚动电容性直线位移传感器结构的其中一个实施例，图中看到，滚动电容性直线位移传感器只有滚动轴8，无延长轴和传动轴，滚动轴8的一端设有主栅12和副栅11，支座弹片7、支座23将滚动轴8压紧在位移体24上，并设有调节螺丝33，上述各部件装在支撑体内；图6中，支座23通过支座弹片22压紧在外壳上使其不能产生轴向位移，主栅12和副栅11通过导电软带28引到印刷电路板PCB板26上，全防水数显卡尺安装有刮尘片27和电池31。

图8和图9给出了数显量表的结构图，从图8中看到，外壳20内有支撑体9，里面安装有滚动轴8，滚动轴8一端设有主栅12和副栅11，支座23和导向轮37固定，外壳20上安装有按键21、显示屏25、印刷电路板26、和电池31；图9中，位移体24安装在导向套32内，上面有支座弹片22、弹簧销35，表的壳体和弹簧销35之间装有弹簧36；导电软带28将主栅12和副栅11发出的信号引到印刷电路板26上。

图10、图11和图12直移式数显千分尺的实施结构图，其外部结构与普通的数显千分尺基本相同，设有显示屏25、支座弹片22、位移体24，表的壳体和弹簧销35之间装有弹簧36；内部结构与上述数显量表的结构相似，外壳18里面有滚动轴8，滚动轴8一端设有主栅12和副栅11，支座23和导向轮37固定，导电软带28将主栅12和副栅11发出的信号引到印刷电路板26上。

在图13多节距副栅和图14多节距主栅中看到，多节距的主栅条38由若干个栅条构成，多节距副栅由若干组栅条39、接收电极41和地电极40组成。

在图15单节距副栅和图16单节距主栅中看到，单节距的主栅条由一个栅条38构成，副栅由一组副栅栅条39、接收电极41和地电极40组成。

图17的数模转模IC原理框图给出了本滚动电容性直线位移传感器三个电路的测量系统都单独做成三个传感器，三个传感器分别与三个测量电路IC连接，三个测量电路IC1、IC2、IC3再连到单片机上，单片机与显示器连接，单片机的下方为输入端连线S1、S2、S3、S4，上方为扩充口和功能扩展口K1、K2、K3、K4，方便对传感器系统误差和滚轮尺寸制作误差进行修正，当单片机内存不足进，可通过功能扩展口K1、K2、K3、K4进行电路功能扩展。。

图18测量电路IC的结构包括：振动电路OSC、分频器、加减计数器、位移寄存器、多路转换器、控制器、调制放大器、鉴相器、多路放大器组成，其特征还在于：传感器信号由AMPI输入调制放大器、鉴相器经零位检测器将零位信号J0输至功能模块的单片机，单片机还接受其窜行数据输出信号SSY和并行输出信号D1-D4，并向其发出取数信号REG、位移信号SCK及半频工作信号POF，其中AMPI为接收电极的信号，P1-P8为输出到传感器的多相激励信号，XT1、XT0为晶振接口，SSY、SDATA为至单片机的串行数据，D1-D4则为至单片机的并行数据，REG为单片机的取数信号，POF为半频转换信号。

图19和图20为本发明在电子显示台称上的应用，图19中给出了电子台称的原理图，称重盘42、杠杆臂44、支撑滚珠、杠杆46组成一称重杠杆构件，保证称种物体在称重盘42的有效面积内任意位置称重的准确性，弹性体47将重量转变为位移体24的位移量，滚动轮8、导向轮37、主副栅11、12是本发明的测量系统，将位移量转变成数字量，并实现各种成重计价的功能。

图21是本发明在数显压力表上的应用；

图22是数显压力表的原理图。安装螺丁将压力表安装在被测物体的管道上，活塞49、″0″型圈48将被测压力转换成位移体24弹性体47的位移量。滚动轮8、导向轮37、主副栅11、12是本测量系统将位移量转变成压力量。

Claims (9)

1、一种滚动电容性位移测量传感器，由传感头和功能显示两个模块构成，传感头模块包括外壳、主栅、副栅、电路板、数模转换IC、连接线路，其特征在于：主栅和副栅做成圆柱体，它固定在滚动轴的一端，滚动轴与测量移动体相靠，滚轮轴采用刚性材料，另一侧为压片和支座弹片，支座弹片固定在壳体上，压片的一侧也紧压在压轮轴上，外壳与支座弹片之间还设有调整螺钉；功能显示模块包括外壳、测量电路IC、单片机、显示屏、功能按键，两模块之间的电路用接插件和导电电缆联接。

2、根据权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于：电路的测量系统有一个或多个，每个测量系统都单独做成一个传感器，多个传感器分别与多个测量电路IC连接，多个测量电路IC再连到单片机上。

3、根据权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于：移动体为卡尺、或者数显标尺的尺体、量表、千分尺测杆、测角器的回旋体、称重、压力弹性元件的支撑轴。

4、根据权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于：位移测量传感器为多节距的主栅和副栅构成，位移量绝对值标定的传感器和扩展测量量程的传感器为单节距副栅和主栅构成。

5、根据权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于：测量电路IC包括振动电路OSC、分频器、加减计数器、位移寄存器、多路转换器、控制器、调制放大器、鉴相器、多路信号发生器、零位检测器，振动电路OSC接分频器，分频器分几路与加减计数器、位移寄存器、多路转换器、控制器、鉴相器、多路信号发生器相连，传感器信号由AMPI输入调制放大器、鉴相器经零位检测器将零位信号J0输至功能模块的单片机，单片机还接受其窜行数据输出信号SSY和并行输出信号D1-D4，并向其发出取数信号REG、位移信号SCK及半频工作信号POF。

6、一种权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于它在长度测量器具方面的应用。

7、一种权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于它在角度测量器具方面的应用。

8、一种权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于它在电子显示台称方面的应用。

9、一种权利要求1所述的滚动电容性位移测量传感器，其特征在于它在压力测量仪器方面的应用。

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