CN1702434A

CN1702434A - 使用位移放大的开关式数字位移传感器

Info

Publication number: CN1702434A
Application number: CN 200510012185
Authority: CN
Inventors: 陈轮; 李云鹤
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: CN100371685C

Abstract

使用位移放大的开关式数字位移传感器涉及物体位移的传感装置技术领域。其特征是，含有刻有条纹，与位移物体连接的位移导条；将位移导条产生的线位移转换为角位移的齿轮放大机构；装有光源，与齿轮放大机构啮合的轴；以轴为圆心的环行栅格带，上面有等宽等距，宽度和距离相等的光电栅格，栅格带一侧连接环形导体，每块栅格另一侧连接导电块，栅格通过二者串接在回路中；光源发射的光束宽度大于等于栅格宽度；物体间产生位移时，位移导条通过齿轮放大机构带动轴旋转，轴上的光源发射出光扫描栅格使其导电，其所在回路导通，在回路上输出的信号经处理得到物体位移量。本发明将线位移转换、放大为角位移后测量，具有分辨率高，抗干扰能力强等优点。

Description

使用位移放大的开关式数字位移传感器

技术领域：

使用位移放大的开关式数字位移传感器涉及物体位移的传感装置技术领域。该装置具有很强的抗电磁干扰和抗温度、湿度变化等影响的能力，适用于有较高精度要求的位移测量。

背景技术：

目前，已有很多测量位移和应变的传感装置。这些位移传感装置可分为模拟式和数字式，主要有电位器、电阻应变式、电容式、电感式、涡流式、光电式以及光栅式、感应同步器式和磁栅式等。这些传感装置技术都比较成熟，在适宜的工作环境下，其产品能满足测试要求。(黄继昌、徐巧鱼、张海贵等，传感器工作原理及应用实例，人民邮电出版社，1998年。单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社，1999年)。

例如常见的电位器就是一种简单实用的位移传感器，它的基本原理是采用一个电刷在电阻上滑动，根据电路中电阻的变化来判断电刷的位置，根据电刷与电阻的位移的关系得到物体的位移。但是，由于电位器中电阻的阻值是随温度和湿度环境而变化的，信号传输线电阻及其随温度的变化也会引起误差，而且根据电路中电阻的变化来判断电刷(即物体)的位移其精度也有限，所以电位器的应用存在较大的局限性。

在土木工程等许多涉及现场量测和环境条件复杂的实验室量测中，位移传感器的工作条件往往比较恶劣。温度、湿度、压力等外部条件的剧烈变化以及电磁干扰甚至断电等对位移传感装置的工作稳定性提出了更高的要求。在科研和工程实践的许多位移量测工作中，目前还难以获得量测工作稳定性较高的位移传感器，甚至还可能无法得到测量数据。这主要是因为目前传感器的抗干扰能力难以满足这些测量环境的要求。例如，电位计、电阻应变式等对温度、湿度比较敏感，电容式、电感式、磁栅式等电磁测量原理的传感器一般屏蔽要求较高，这些局限性都会降低位移量测的可靠性。

一种已经申请中国发明专利的位移传感器，名称为“开关式数字位移传感器”(申请号为200510011955.8，申请日期为2005年6月16日，申请人为“清华大学”)，具有抗干扰能力强、工作可靠、数据处理容易等优点，但对于分辨率要求很高的位移量测，仍有一定的局限性。

发明内容：

为了克服现有位移传感装置存在的局限性，满足科研和工程实践位移量测的需要，本发明提供了一种使用位移放大的开关式数字位移传感器。本发明通过齿轮传动放大系统将待测线位移量转换、放大为角位移量，在产生角位移量的旋转轴心上安装激光发射器向外发射径向的激光光束，围绕此轴心放置一个环形的编码的光电材料栅格带。则物体发生待测的线位移时，将带动激光光束在此光电材料环形栅格带上扫描，激光束照射到的光电栅格呈导电状态，未被激光束照射的光电栅格呈绝缘状态。因此激光光束照射到光电栅格带的不同位置，将得到不同的电路通或断的编码信号，通过单片机等处理该编码信号即可判断激光光束照射在栅格带上的位置，继而得出待测位移。由于传感器的感应电路的信号是简单的电路通或断的开关式数字信号，结构简单，因此传感器抗干扰能力强，可适应较为恶劣的工作环境，工作稳定可靠，且测量成本低。

本发明所提出的使用位移放大的开关式数字位移传感器的特征在于：含有位移导条(U)，其一端与产生相对位移的一个物体连接，该位移导条(U)上刻有条纹，一套齿轮放大机构，将位移导条随物体移动产生的线位移转换为角位移；

轴(X)，固定在产生相对位移的另一个物体上，上面装有光源(T)，该轴X通过所述齿轮放大机构与位移导条(U)啮合，在位移导条(U)的带动下旋转；

一条环行栅格带(R)，以所述轴(X)为圆心分布，上面有等宽、等距，且宽度和距离相等的光电材料的栅格，该栅格带(R)的一侧连接有一条环形导体(Q)，该栅格带(R)上的每一块栅格的另一侧连接有导电块(S)，所述栅格通过环形导体(Q)和导电块(S)串接在电源回路中；

所述光源(T)发射的光的宽度大于等于环行栅格带(R)上的栅格的宽度；

当物体间产生相对位移时，位移导条(U)移动，并通过齿轮放大机构带动所述轴(X)旋转，使得轴(X)上的光源(T)旋转，该光源(T)发射出的光扫描栅格带(R)上的栅格，使得被扫描到的栅格导电，该栅格所在的回路导通，在该回路上输出的电信号经过处理得到物体的位移量。

其特征还在于，所述齿轮放大机构包含有一个与所述位移导条啮合的轴(V)，以轴(V)为圆心固定在轴(V)上的齿轮盘(W)，该齿轮盘(W)与轴(X)啮合。

其特征还在于，以所述轴(X)为圆心还环绕着一条代表大刻度的环行栅格带(P)，该栅格带(P)上的栅格是光电材料的栅格，其宽度是栅格带(R)上栅格宽度的偶数倍，且栅格间的距离远小于栅格的宽度；该栅格带(P)的一侧连接所述环形导体(Q)，所述栅格带(P)上的每一个栅格的另一端连接有导电块(O)，所述栅格带(P)上的栅格通过所述环形导体(Q)和导电块(O)串接在电源回路中；

光源(T)发射出的光能同时扫描栅格带(P)和栅格带(R)上的栅格，使得被扫描到的栅格导电，该栅格所在的回路导通，栅格带(P)上的栅格所在回路输出的电信号经过处理得到物体位移量的大刻度值，栅格带(R)上的栅格所在回路输出的电信号经过处理得到物体位移量的小刻度值。

光源(T)发射出的光能同时扫描栅格带(P)和栅格带(R)上的栅格，使得被扫描到的栅格导电，该栅格所在的回路导通，栅格带(P)上的栅格所在回路输出的电信号经过处理得到物体位移量的大刻度值，栅格带(R)上的栅格所在回路输出的电信号经过处理得到物体位移量的小刻度值；

在所述轴(V)上还固定有一个齿轮盘(Y)，在所述轴(X)上还套有一个与所述齿轮盘(Y)啮合的另一个齿轮盘(Z)，在该齿轮盘(Z)上装有一个光源(T’)；

以所述轴(X)为圆心还环绕着一条环行栅格带(P’)，该栅格带(P)上的栅格是光电材料的栅格，在该环形栅格带(P’)的一侧连接着一条环形导体(Q’)，该环形导体(Q’)与电源的一极连接，所述栅格带(P’)上每一个栅格的另一端连接有导电块(O’)，所述栅格带(P’)上的栅格通过所述环形导体(Q’)和导电块(O’)串接在电源回路中；

当光源(T’)随着齿轮盘(Z)旋转时，其发射出的光扫描栅格带(P’)上的栅格，使得被扫描到的栅格导电，该栅格所在的回路导通，在该回路上输出的电信号经过处理得到所述光源(T)发出的光束扫描栅格带(R)的圈数。

上述使用位移放大的开关式数字位移传感器的特征还在于，所述光源(T)是激光发射器。所述光源(T)发射的光的宽度为环行栅格带(R)上的栅格宽度的2倍。所述光源(T’)是激光发射器。

实验证明，本发明所提出的传感器能够将待测线位移量转换、放大为角位移量后再测量，因此分辨率较高，而且由于传感器的原理和结构简单，传感器抗干扰能力强，可适应较为恶劣的工作环境，工作稳定可靠，且测量成本低，达到了预期效果。

附图说明：

图1是一条栅格的开关式数字位移传感器的结构示意图；

图2是二条栅格的开关式数字位移传感器的结构示意图；

图3是一条栅格的开关式数字位移传感器的栅格展开示意图；

图4是二条栅格的开关式数字位移传感器的栅格展开示意图；

图5是三条栅格的开关式数字位移传感器的结构示意图；

图6是三条栅格的开关式数字位移传感器结构剖面示意图；

图7是三条栅格的开关式数字位移传感器的栅格展开示意图；

图8是单片机模块示意图。

具体实施方式：

为了提高传感器的分辨率，可以将线位移进行物理放大后再测量。通过齿轮传动放大系统可以将待测线位移量转换为较大的角位移量，然后再测量角位移量，这种齿轮传动放大系统类似于百分表、千分计等。

如图1和图2所示，本发明中的位移导条是金属条，也可以采用非金属材料等其他材料，只需保证使U具有适当的强度、刚度和耐久性，并能可靠地将待测位移传递到齿轮V上即可。如图，直的金属条U一侧及齿轮轴V上刻有精密螺纹，U与V啮合的螺纹啮合，且齿轮轴V上固定一个直径较大的刻有精密螺纹的齿轮盘W。齿轮轴X上也刻有精密螺纹，并与齿轮盘W的螺纹啮合。在齿轮轴X上安装一个激光发射器T，发射光束宽度一定的激光束T。以齿轮轴X的轴心为圆心放置一个半径一定的环形的光电栅格带R。那么当金属条U随待测位移而移动时，将带动齿轮轴V(及齿轮盘W)转动，继而带动齿轮轴X转动，则激光光束T将在光电材料栅格R上扫描。光束T照射在栅格带的不同位置时栅格带将给出不同的电路通或断的编码信号，通过单片机等处理该编码信号即可判断激光光束T照射在栅格带上的位置，继而得出待测位移。也就是说，栅格串接在电源回路中，当没有光束照射时，电源回路是断开的，光束T照射在栅格上时，栅格导电，该栅格所在的电源回路接通，将回路中的电信号输出到外部的数据处理电路，可以判断激光照射在栅格带上的位置以及在栅格带上扫描过的距离，即得出金属条U走过的位移。下面结合图3将栅格串接在回路中的情况具体介绍。

环形栅格带的展开图见图3，阴影部分代表光电导体，非阴影部分为绝缘体。光电材料栅格带R上每个栅格的宽度相等，间距也相等，且栅格宽度与间距等值，如为1mm，环形导体Q为普通导电材料(如金属)，位于栅格带R的一侧，接高电平(或低电平)。轴X上装有激光发射器，可以发射光束宽度一定的激光光束T，R排栅格的另一侧分别连接有导电块S，导电块S上的引出线连接外部的信号处理电路。导电块S与栅格R一一对应。这样由环形导体Q和R排上的各栅格、导电块S、信号处理电路等构成了许多回路。栅格带R不导电，因而此时每一个回路在栅格R处都是断开的。当物体产生待测位移时，金属条U带动轴X旋转，轴X上的激光发射器发射的激光束将在光电材料栅格R上扫描，光束照射到的光电材料栅格导电，接通其所在的回路，则此栅格对应的导电块S上的引出线呈现高电平(或低电平)，这种电平信号经过单片机等处理后可得到该导电栅格所在位置数据，继而得到物体的位移量。为了判断、测量等的方便，激光光束T的宽度最好为栅格带R上栅格的宽度(间距)的两倍。如果光束T的宽度小于栅格带R上栅格的宽度(间距)，则光束T照射在两个栅格带R栅格之间时会出现栅格带R没有任何信号输出的情况，这对传感器的测量和自检测等都是不利的。所以光束T的宽度应该大于栅格带R上栅格的宽度(间距)。而为了保持测量时刻度的均匀，也就是使传感器读数的每个跃移保持相等(比如刻度尺的刻划是均匀的，所以相邻两个读数间的位移差值是相等的)，光束T的宽度应该为栅格带R上栅格的宽度(间距)的两倍。根据同一电平信号的出现序列，通过单片机进行信号分析处理，就可以确定光束在环形栅格上扫描时扫过的圈数(类似计数器原理)，因此可以实现环形栅格带的反复循环利用，从而得到很大的量程。

为了简化传感器的结构和信号的后续处理，可以在栅格带R的一侧以轴X为圆心再增加一条栅格带P，见图4。栅格带R由若干个完全相似的单元构成，其中每个栅格带R单元是由等量的栅格块组成的，而且每个栅格带R单元对应着一个P栅格块。这样就通过栅格带P将栅格带R标识为若干个宽度相同、结构相似的单元。激光束T照射在栅格带上时，根据栅格带R的信号可以确定激光束T在(每个)栅格带R单元中处在第几个栅格，即在单元中的具体位置；而根据栅格带P的信号，结合栅格带R则可判断出这个被激光照射的特定栅格带R所在单元的编号。那么在识别激光束T在栅格带上照射的位置时，通过判断激光束T照射在第几个R栅格单元和在这个特定R栅格单元上处在第几个栅格块，即可确定激光束T在栅格带上的具体位置，继而可以进行位移的判断。也就是说，栅格带P代表大刻度，栅格带R代表小刻度，如栅格带P上的栅格宽度为1cm，栅格带R上的栅格宽度为1mm，测量值中栅格带P上栅格导通代表厘米位输出，栅格带R上栅格导通代表毫米位输出，二者相结合就为实际位移值。

栅格P的宽度为栅格带R上的栅格宽度的偶数倍。栅格带P与栅格带R共用环形导体Q，P上的栅格在另一侧也分别连接一个导电块O，并通过O串接在回路中，激光束同时覆盖栅格带R和P上的栅格，激光束照射的栅格回路导通，R栅格和P栅格所在回路输出的电平信号经过处理即可得到光束所在位置，继而得到待侧位移。栅格带P上的栅格之间的间距应远小于栅格的宽度，并明显小于光束宽度，比如为0.2mm，以有效地防止误判的发生。

在可能断电的测量情况下(比如可能将传感器置于野外，定期去读数，因此在工作过程中，传感器可能是断电的)，上述方法就不能准确判断光束在环形栅格上扫描的圈数，因为光束第一次扫描到特定位置和以后各次扫描到同一位置时得到的信号是相同的。所以，为了能够适应这种可能存在断电情况的测量，可以在上述两排环形栅格一侧设置第三排环形光电栅格P’，用于识别激光光束T扫过栅格R和P的圈数。因此通过判断激光光束T所扫过环形栅格带的圈数和在环形栅格带中所处的具体位置，就可以准确判断激光光束T扫过的位移。这个识别激光光束T扫过圈数的功能可通过以下装置实现：如图5、图6所示，在齿轮传动机构中，在轴V、轴X同一高度上各安装齿轮Y和Z，其中齿轮Y固定在轴V上；而齿轮Z套穿在轴X上，但并不固定，即齿轮Z和轴X可以相对转动；调节齿轮Y和Z的半径关系，可以调节转动时轴X角位移与齿轮Z角位移的倍数。在齿轮Z上安装激光发射器T’扫描第三排光电栅格P’。调整齿轮传动系统放大倍数及栅格P’的宽度等，可保证光束T扫描一整圈，光束T’在光电栅格P’上刚好扫描一个栅格的宽度。如图7所示：在前述两排光电栅格一侧另加光电栅格P’，栅格P’一侧是环形导体Q’，Q’接高电平(或者低电平)，栅格P’的另一侧分别接导电块O’，并通过引出线C连接到数据处理电路，从而构成一个没有激光照射时呈断开状态的回路，其工作原理与栅格带R和P一致。根据这三排光电栅格的高低电平信号，既可读出光线T扫过的圈数，又可以读出光线T在环形光电栅格上的位置，从而可以判断光线T扫过的位移，继而可以得到物体的位移。

栅格带P′上的栅格宽度，可以根据需要确定。其原则是，各个栅格的宽度是相等的；激光光束T′在P′栅格上扫描过的栅格数量，等于T光束在P栅格上照射扫描过的圈数；P’栅格带中，各栅格宽度的总和，不大于P’栅格带所在圆周的周长。如果需要量测光束T在栅格P上扫描过的圈数比较多，则每个P’栅格的宽度就要小一些，以便在一个周长的范围内可布置更多的栅格P’；反之，如果需要量测光束T在栅格P上扫描过的圈数比较少，则每个P’栅格的宽度就可以大一些。例如，如果要满足最大量测为T光束在P栅格上照射转10圈的要求，那么栅格P′的宽度就应等于或小于P′栅格所在圆周的周长的十分之一；如果要满足最大量测为T光束在栅格P上照射转15圈的要求，那么栅格P′的宽度就应等于或小于栅格P′所在圆周的周长的十五分之一。至于栅格P′各个栅格之间的间距，与P栅格的做法相同，即栅格带P’上的栅格之间的间距应远小于栅格P’的宽度，并明显小于光束T′的宽度，比如为0.2mm，以有效地防止误判的发生。光束T′的宽度，则须大于栅格带P′各个栅格之间的间距，以免出现全部光束T’只照射在栅格之间的情况而导致无法判断光束T’照射的位置；且光束T′的宽度宜小于栅格P’的宽度，以免出现光束T’同时照射在三个栅格P’的情况而增加数据处理的难度。

高低电平的信号采用单片机处理，从各个栅格所在的回路中引出信号线传输电平信号，R栅格带和P栅格带所输出的信号联合起来可判断激光束T在环形栅格上的具体位置，P’栅格带输出的信号可确定激光束T在环形栅格上扫过的(环形栅格的)圈数，单片机根据设定的逻辑判断规则处理这些电平信号，得到待侧位移，并可控制数码显示设备显示相关数据，且可以方便地与计算机通信等。如图8所示，C为传感器引出线，D为单片机模块，PC为计算机，E为数码显示部分。

实例：光源采用激光发射器，或者采用其他发光装置如发光二极管等，光源只要能保证所发射的光能够使光电材料产生明显的光导效应即可。金属条U一侧和齿轮轴V的圆周上每0.5mm一个条纹，齿轮W的半径为齿轮轴V的半径的五倍。齿轮轴X和齿轮轴V半径相等，齿轮Y和Z的半径相等。R的半径为齿轮轴X的10倍。则光束在环形栅格上扫过的位移量与金属条U(即物体位移)的位移量的倍数为50倍。R上的光电栅格的分辨率为0.5mm，那么最终这个传感器的精度为0.01mm，若R的周长设为50mm，则最终的量程为10mm。

实际运用中，可以根据需要来调整齿轮传动机构的放大倍数、栅格带的分辨率和激光光束T和T’之间的角位移倍数关系，从而调节传感器的分辨率和量程。在各个啮合的地方都能很好啮合的情况下，从理论上说，齿轮轴V和X半径越小，齿轮W的半径越大，R的半径越大，则物体位移的放大倍数越高。常用的分辨率为0.001mm的千分计，也是采用齿轮传动放大机构将线位移量转换为角位移量后再测量的，并用指针在刻度盘上指示读数。由于千分计制作精密，在保证了精度的情况下，其位移放大倍数约一千倍。在上述传感装置中，采用了激光光束T作为指针，没用重量和摩擦等，因此在采用相同的位移放大倍数的情况下，将比千分计更可靠。而且环形栅格带的刻度要更精细，其分辨率比刻度盘更高。所以，上述传感装置的分辨率可以比千分计更高。

如果将单片机植入到传感器中，单片机处理信号后通过标准接口(如串口等)将相应数据传输给二次仪表或者计算机，这样就实现了模块化，使用很方便。

Claims

1、使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，含有

位移导条(U)，其一端与产生相对位移的一个物体连接，该位移导条(U)上刻有条纹，一套齿轮放大机构，将位移导条随物体移动产生的线位移转换为角位移；

2、权利要求1所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述齿轮放大机构包含有一个与所述位移导条啮合的轴(V)，以轴(V)为圆心固定在轴(V)上的齿轮盘(W)，该齿轮盘(W)与轴(X)啮合。

3、如权利要求1或2所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，

以所述轴(X)为圆心还环绕着一条代表大刻度的环行栅格带(P)，该栅格带(P)上的栅格是光电材料的栅格，其宽度是栅格带(R)上栅格宽度的偶数倍，且栅格间的距离远小于栅格的宽度；该栅格带(P)的一侧连接所述环形导体(Q)，所述栅格带(P)上的每一个栅格的另一端连接有导电块(O)，所述栅格带(P)上的栅格通过所述环形导体(Q)和导电块(O)串接在电源回路中；

4、如权利要求2所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，

5、如权利要求1、3或4所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述光源(T)是激光发射器。

6、如权利要求1、3或4所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述光源(T)发射的光的宽度为环行栅格带(R)上的栅格宽度的2倍。

7、如权利要求4所述的使用位移放大的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述光源(T’)是激光发射器。