CN201289367Y - 高精度数字式直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度数字式直线位移传感器，包括电机驱动的光栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。本实用新型具有测量范围大、结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率高、无须调零、通过软件直接判向等优点。

Description

高精度数字式直线位移传感器

技术领域：

本实用新型涉及一种直线位移传感器，具体地说，是涉及一种具有很高精度的数字式直线位移传感器。

背景技术：

在工业生产中，尤其在航空航天、自动军械装备等领域要求直线位移检测具有更高的精度和分辨率，这就对直线位移传感器的要求大大增强。当前用于直线位移测量的传感器种类很多，但现有的传感器在实际应用中或多或少都存在着一些问题，有的设备复杂、成本高，有的对环境要求高，有的精度低、线性范围小，有的结构复杂、工艺要求高。如电容式传感器结构简单、动态响应快，但容易受寄生电容和外界干扰。电感式传感器结构简单、输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但它动态响应慢，易受磁场干扰。磁栅传感器安装使用方便，成本低，单精度不高，使用时需屏蔽，抗干扰能力差。光栅尺测量精度高，可控性好，被普遍采用。如德国HEIDENHAIN、日本MITUTOYO等公司生产的直线位移光栅尺精度和分辨率很高。但光栅尺对使用环境要求高，要求光栅运行平稳、无突变和相对低速，且不能受工业现场粉尘、油污和水气污染。国产的光栅传感器份量重、精度低、性能不稳定，而进口的高精度光栅尺价格昂贵。此外光纤直线位移传感器及激光传感器均存在成本高的问题。

发明内容：

本发明提供一种结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率高的高精度数字式直线位移传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高精度数字式直线位移传感器，其特征是：包括电机驱动的光栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。

本实用新型所述的高精度数字式直线位移传感器的有益效果主要表现在：

1.结构简单，光栅盘制作简单，只须开一条透光刻线，线宽不需要很窄，只要能够使所采用的反射式光电传感器工作就可以。安装方便，实现数字化非接触式检测。

2.成本低，测量范围大。

3.精度和分辨率高，在保持电机转速稳定的前提下，采用高频脉冲填充法，可获得很高的精度。

4.测量前无须调零，无须判向电路，可通过软件直接判向，方便了检测过程。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型所述的高精度数字式直线位移传感器结构图；

图2是本实用新型所述的直线位移传感器测量原理俯视简图1；

图3是本实用新型所述的直线位移传感器测量原理时序图1；

图4是本实用新型所述的直线位移传感器测量原理俯视简图2；

图5是本实用新型所述的直线位移传感器测量原理俯视简图3；

图6是本实用新型所述的直线位移传感器测量原理时序图2。

具体实施方式：

一种高精度数字式直线位移传感器，包括电机6驱动的光栅盘5，光栅盘上设有一条透光刻线7，光栅盘上方设置直线轨道4，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器1、2(静传感器)，另有一个反射式红外传感器3(动传感器)与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。

使用的圆光栅只开有一条透光刻线，光栅盘采用反射性能较好的亚光铝等材料制作，其面向反射式光电传感器的一面为光亮面。当透光刻线经过反射式光电传感器时，传感器输出一低电平脉冲。当刻线不经过反射式光电传感器时，传感器的红外发射管发出的光经光栅盘面反射，接收端输出高电平。4为物体直线运行轨道，被测物体沿轨道直线运行，反射式光电传感器1、2固定在轨道两端，反射式光电传感器3跟随被测物体运动。为了分析方便，以下将反射式光电传感器1、2简称为“静传感器1”、“静传感器2”，反射式光电传感器6简称为“动传感器”，同步电机的转速简称为“同步转速”。

1.被测物体移动方向与同步转向相同

测量原理俯视图如图2所示，设同步转向为顺时针方向，n为同步转速，被测物体初始位置在A0处，在测量前先启动同步电机(或步进电机)带动光栅盘转动，光栅透光刻线分别经过静传感器1、动传感器、静传感器2后，会依此输出三个脉冲信号(假设经过处理后均为负脉冲信号)。

传感器测量原理时序图如图3所示。在测量之前，同步电机转动后，静传感器1、动传感器、静传感器2的输出的脉冲信号分别如图3中的脉冲A、B和D所示。静传感器1与动传感器的初始相位差为θ₁。此时我们在两脉冲间填充高频脉冲，在静传感器1脉冲下降沿启动高频脉冲计数，在动传感器下降沿停止计数(如图3中的脉冲C所示)，则计得的高频脉冲个数N₁与θ₁成正比。同理，在两个静传感器输出脉冲间填充高频脉冲，设θ＝θ₁+θ₂+θ₃+θ₄，则高频脉冲数N₂与θ成正比。当光栅刻线继续旋转，与静传感器1再次接触时，可得到同步电机转动360°所计得的高频脉冲数N₈。可得：

$L_1=\frac{L_5\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{Sin}(180-{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_5)}$ (设θ₅、L₅已知)(2)

当被测物产生了线位移，则带动动传感器同步移动，设从位置A₀转到位置A₁，此时静传感器输出脉冲不变，动传感器输出脉冲如图3中的F所示。此时，我们在两脉冲间填充高频脉冲如图G所示，则脉冲个数N₅与θ₁+θ₂成正比，N₄＝N₅-N₁与θ₂成正比。可得：

$L_2=\frac{L_5\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}{\mathrm{Sin}(180-{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_5)}-L_1---\left(4\right)$

同理，当被测物以A₁为初始点，又顺时针从位置A₁转到位置A₂，此时动传感器的输出脉冲波形如图3的H所示，通过计数两脉冲下降沿间的高频脉冲数为N₇(如图I所示)。此时新的角位移所代表的脉冲数N₆＝N₇-N₅。则被测物移动的角位移θ₃：

则物体运动的直线位移为：

$L_3=\frac{L_5\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)}{\mathrm{Sin}(180-{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_5)}-L_1-L_2---\left(6\right)$

可以采用上述方法得到线位移测量通用公式：

$L=\frac{L_G\mathrm{Sin}({\mathrm{\θ}}_C+\mathrm{\θ})}{\mathrm{Sin}(180-{\mathrm{\θ}}_C-\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_G)}-L_Q---\left(7\right)$

式中，L—被测线位移；L_G—电机轴心到静传感器间距离；θ_C—动静传感器间初始时刻相位差；θ_G—直线轨道与静动传感器连线的夹角；θ—动传感器直线移动后产生的相位角；L_Q—初始时刻静动传感器间的距离；N_B—本时刻静动传感器间高频脉冲数；N_C—初始时刻静动传感器间高频脉冲数；N—360度范围高频脉冲数。

在这里要说明的是，“初始时刻静动传感器间高频脉冲数”不是一个固定的数。如把初始时刻定义在A₀则N₁为“初始时刻静动传感器间高频脉冲数”；如把初时刻定义在A₁，则N₄为“初始时刻静动传感器间高频脉冲数”。这要视测量需要而定，可以在接口电路程序中通过软件实现不同的功能。

在这里使用的是动态测量方法，也就是同步电机不停转动，控制器不断记录静动传感器间的高频脉冲数，不断根据公式更新计算结果并显示。通过显示，可以看到被测物移动的动态过程。

测量结果的精度和分辨率取决于高频脉冲的频率和同步电机转动的匀速程度，只要高频脉冲的频率足够高，同步电机匀速转动，理论上可以得到很高的测量精度和测量分辨率。

在此我们也可以看出，静传感器2的作用冗余，仅需一个静传感器和一个动传感器就可以完成线位移检测。我们在设计中，依然采用两个静传感器，可以方便用户采用不同的检测方式完成更多功能。

且直线轨道与光栅圆盘的位置不会影响到测量，只要直线轨道不经过圆心且在圆盘范围内，都可以进行检测。如图4所示，直线轨道在任意位置、采用单反射式红外传感器检测，公式7、8同样适用。

2.被测物体移动方向与同步转向相反

当被测物体移动方向与同步转向相反时，如图5所示。动传感器初始位置在A₀处，透光刻线经过静传感器再经过动传感器后，会输出两个脉冲，如图6中的A、B所示。两脉冲的相位差即为两传感器初始相位差θ＝θ₁+θ₂+θ₃。此时在静传感器脉冲下降沿启动高频脉冲计数，在动传感器下降沿停止计数(如图6中的脉冲C所示)，则计得的高频脉冲个数N₁与θ成正比。设计静动传感器间初始距离L＝L₁+L₂+L₃。

当被测物产生了线位移，则带动动传感器同步运动，设从位置A₀转到位置A₁，此时静传感器输出脉冲不变，动传感器输出脉冲如图6中的D所示。此时，我们在两脉冲间填充高频脉冲如图E所示，计得高频脉冲个数N₃与(θ₂+θ₃)成正比。

通过减法运算可以得到N₂＝N₁-N₃，如图C所示。N₂与角位移θ₁成正比。并且可以得到同步电机转过360°所计得的高频脉冲数N₆。则计算公式如下：

L₁＝L-L₂-L₃(13)

同理，当被测物以A₁作为起始位置，从位置A₁转到位置A₂，此时静传感器和动传感器的输出脉冲波形如图D、F所示，通过计数两脉冲下降沿间的高频脉冲数为N₅(如图G所示)。可得：

L₂＝L₂+L₃-L₃                   (17)

可以采用上述方法得到线位移测量通用公式：

$L=L_Q-\frac{L_G\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_B}{\mathrm{Sin}(180-{\mathrm{\θ}}_G-{\mathrm{\θ}}_B)}---\left(18\right)$

L—被测线位移；L_G—电机轴心到静传感器间距离；θ_G—直线轨道与静动传感器连线的夹角；L_Q—初始时刻静动传感器间的距离；N_B—本时刻静动传感器间高频脉冲数；N_C—初始时刻静动传感器间高频脉冲数；N—360度范围高频脉冲数；θ_B—动传感器直线移动后动静传感器间相位差。

3.被测物体移动方向未知或不定

同步转向由传感器中同步电机(或步进电机)提供，方向固定不变(假设固定为顺时针方向)。而被测物体移动方向很多情况下是未知或不定的。

在此情况下首先要判别被物移动方向。判别方法很简单：当光栅刻线第N-1次经过静、动传感器后得到了它们之间的高频脉冲数，在接口电路软件中用寄存器记录为“上一次静动传感器间高频脉冲数”。然后将光栅刻线第N次经过静、动传感器后得到的高频脉冲数记录为“本时刻静动传感器间高频脉冲数”。用“本时刻静动传感器间高频脉冲数”减去“上一次静动传感器间高频脉冲数”，如果为正就说明被测物移动方向与同步转向相同，此时采用7、8式计算角位移。如果为负说明相反，此时采用18、19式来计算角位移。当光栅刻线第N+1次经过静动传感器时，将第N次的“本时刻静动传感器间高频脉冲数”作为第N+1次的“上一次静动传感器间高频脉冲数”进行计算和判别。当计算角位移时，没有必要如此繁琐，只需始终使用公式7、8或18、19，结果取绝对值即可。4.传感器性能及优缺点分析

4.1 传感器精密度、准确度及分辨率分析

对于线位移传感器来说，测量精密度、准确度和分辨率是最重要的技术指标。测量精密度是指相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。在本系统中，测量精密度主要取决于同步转速的均匀程度。

测量精度(准确度)是指被测量的测得值与其“真值”的接近程度。从测量误差的角度来说，正确度所反映的是测得值的系统误差。

此时我们来计算理论上系统可达到的分辨率和精度，假设传感器中同步电机(或步进电机)转速为200r/min(3.3r/s)，则电机带动光栅刻线转动360度所记得的高频脉冲数为： $\frac{1/3.3}{1/(25\×{10}^6)}\≈7575757$ 个。则理论上最小可分辨的角度为该角度所对应的线位移也是非常小的，因此测量分辨率和精度都很高。而且电机转速越慢，系统分辨率越高，精度也越高。但电机转动速度越小，系统响应越慢。为了提高系统响应速度，应使电机快速旋转，此时可以通过增加高频脉冲频率来提高系统精度和分辨率。

4.2 新型直线位移传感器系统的优缺点分析

该新型直线位移传感器优点如下：

(1)测量范围大，只需要保证物体移动范围在以光栅刻线为半径的圆内即可，增大光栅刻线长度可增大量程。

(2)结构简单，安装方便，成本低。

(3)测量精度和分辨率高。

(4)测量前无须调零。

(5)不需另加判向电路，通过软件直接判向。

该系统设计也存在缺点及改进方法：

(1)存在一定系统误差

主要为电气误差和同步转速误差。电气误差由两部分组成，系统中采用单片机作为控制器，单片机收到动传感器信号后进入中断并发出锁存信号读数需要一定时间，此时间会造成所读的高频脉冲数多于实际的脉冲数，形成测量系统误差，可以通过改进控制器(如选用CPLD、FPGA或DSP等作为控制器来减少误差)。此外，采用单片机进行正弦计算时，存在一定误差，可通过改进算法及采用高端控制器来减小误差。同步转速误差主要由于同步转速的不均匀会引起高频脉冲计数误差，可以通过选用转速均匀度高的电机来减小误差。

(2)响应速度慢

当被测物产生位移后，传感器并不能立即响应，而是要等到光删刻线转动到新位移处时才能响应。可以通过提高同步转速来提高响应速度。

(3)不适于测量高速物体位移。

Claims (1)

1、一种高精度数字式直线位移传感器，其特征是：包括电机驱动的光栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。

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