CN201622063U - 线位移与角位移测定装置 - Google Patents

Abstract

本专利用于测量两个物体之间的相对线位移和角位移。其实现方案是：光接收元件阵列与数据处理器及16路A/D转换模块安装在电路板上；数据处理器的I/O口线连接移位寄存器，移位寄存器通过三极管对光接收元件阵列上的四组光接收元件上电，数据处理器将结果通过Tx、RX输出。本专利采用阵列式测量装置，可以通过离散傅立叶分析方法提高测试精度；局部的油污和灰尘对测试精度的影响被抑制；由于采用光发射元件和光接收元件，使得整个装置的成本大大降低。

Description

线位移与角位移测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种位移测定装置，特别是采用光阵列的线位移与角位移测定装置。

背景技术

线位移与角位移测定装置广泛应用于冲压机械等大型装备的定位(冲模高度控制)、材料装卸机械的地址检测记忆、钢铁领域的压延轧辊控制、造纸机械的狭缝宽度控制等场合。现有技术中，高精度角位移和线位移测量主要采用莫尔条纹的光栅方法，但该方法抗环境干扰能力较差，如油污和灰尘会影响其可靠性，且制作成本高；感应同步器及磁栅的精度较低，具有二进制码和格雷码的码盘式装置，由于码盘的码道加工精度限制，其测量方法的精度也较低。本专利对现有技术的改进方向是：在保持较高精度的条件下，降低成本，提高抗环境干扰能力。

实用新型内容

针对现有技术的改进方向，本专利的提供一种精度高、成本低、抗环境干扰能力强的线位移与角位移测定装置。

本专利的实质是测量两个运动物体之间的相对线位移和角位移。光接收元件(2)阵列及相关电路安装在一个物体上，光调制单元(7)阵列安装在另一物体上；光发射元件(1)阵列具有两种安装选择：在直射式及反射式测定装置中，光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列安装在同一物体上；在分离式测定装置中，光发射元件(1)阵列与光调制单元(7)阵列安装在同一物体上。其实现方案是：光接收元件(2)阵列与数据处理器(4)及16路A/D转换模块(5)安装在电路板(3)上，光调制单元(7)阵列位于光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列之间；数据处理器(4)的I/O口线连接移位寄存器(8)，所有移位寄存器(8)依次级联，移位寄存器(8)通过三极管(9)对光接收元件(2)阵列上的四组光接收元件(2)上电，每组光接收元件(2)由四个光接收元件(2)组成，每四组光接收元件(2)的对应位置的光接收元件(2)输出引脚连接，使光接收元件(2)阵列的输出引脚合并为16个，这16个输出引脚连接电阻(10)阵列及16路A/D转换模块(5)的输入，电阻(10)阵列的另一端接地，16路A/D转换模块(5)的输出与数据处理器(4)连接，数据处理器(4)将结果通过Tx、RX输出；

光接收元件(2)阵列各光接收元件(2)之间间距v相等；

光调制单元(7)阵列中段各光调制单元(7)之间间距u相等，但光调制单元(7)之间间距u与光接收元件(2)之间间距v不相等，光调制单元(7)阵列两端的遮光单元(6)的宽度大于光接收元件(2)之间间距v；

上述装置的工作原理是：在透明基片中段沉积光衰减膜并使其厚度按例如余弦规律变化，在透明基片两端沉积很厚且均匀的光衰减膜即制作完成光调制单元(7)阵列，光调制单元(7)阵列对光发射元件(1)阵列的光进行调制，使各光接收元件(2)接收到的光具有强弱变化规律，数据处理器(4)通过离散傅立叶分析求出光调制单元(7)阵列的线位移或角位移。在这种测试装置中，光调制单元(7)内光衰减膜的厚度是渐变的，相应的称为模拟型线位移与角位移测定装置。如光调制单元(7)阵列是在非透明基片上开窗制作的，则相应的线位移与角位移测定装置被称为数字型的，这时，需要通过位序列匹配算法求出光调制单元(7)阵列的线位移或角位移，16路A/D需用施密特触发器替代。数字型线位移与角位移测定装置的原理类似于游标卡尺原理，在游标卡尺中也有三个阵列，即：基尺刻度阵列、游标刻度阵列、人眼扫描接收阵列，游标刻度阵列与基尺刻度阵列叠加后形成调制信号，人眼逐点扫描得到调制信号序列，人脑对该调制信号序列进行处理得到线位移和角位移。这一原理实际上是要求具有在空间上被调制的阵列光信号和光接收元件(2)阵列，据此，光发射元件(1)阵列也可以是均匀发光片，这时，由光调制单元(7)阵列得到在空间上被调制的阵列光信号。

上述装置的工作过程是：上述装置中所有移位寄存器(8)级联形成移位寄存器(8)阵列，每组光接收元件(2)由四个光接收元件(2)组成，数据处理器(4)通过I/O口线操作移位寄存器(8)阵列，使移位寄存器(8)阵列中相邻的四个输出引脚为低电平且步进环移，每次步进一组共四个光接收元件(2)，这四个输出低电平的引脚通过三极管(9)对光接收元件(2)阵列上的四组光接收元件(2)上电，电阻(10)阵列使光接收元件(2)的光电流变换成电压，该电压被16路A/D转换模块(5)采集并输出到数据处理器(4)，数据处理器(4)进行判断：如未采样到完整的光调制信号序列，则操作移位寄存器(8)阵列环移，进行步进扫描，重复判断；如已采样到完整的光调制信号序列，则计算光调制单元(7)阵列的位置，并将结果通过Tx、RX输出。

当一个物体上的阵列延伸到整个测量范围时，该阵列叫做静尺，另一个物体上的阵列叫做动尺。如光接收元件(2)阵列安装在基座上并延伸遍及整个测量范围，则称为静尺；光调制单元(7)阵列与遮光单元(6)较短并安装在被测的运动物体上，则称为动尺；但也可使光接收元件(2)阵列较短并安装在被测的运动物体上作为动尺，而以光发射元件(1)阵列延伸到整个测量范围作为静尺。

对阵列式测量装置，可以通过离散傅立叶分析等阵列信号处理方法提高测试精度；阵列机构使信号的采集扩展到光调制单元(7)阵列范围，局部的油污和灰尘对测试精度的影响被抑制；由于采用光发射元件(1)和光接收元件(2)的成本低，使得整个装置的成本大大降低，特别是，可以进一步采用CCD技术和工艺，更可以进一步发挥本专利的独特优势。因此，本专利所述线位移与角位移测定装置具有明显优点，是对现有技术是一个较好的改进。

附图说明

图1线位移直射式光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列结构图；

图2线位移光调制单元(7)阵列结构图；

图3直射式线位移测定装置结构简图；

图4线位移与角位移测定装置电路简图；

图5反射式线位移测定装置结构简图；

图6分离式线位移测定装置结构简图；

图7角位移直射式光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列结构图；

图8角位移光调制单元(7)阵列结构图；

图9直射式角位移测定装置结构简图；

图中：1光发射元件，2光接收元件，3电路板，4数据处理器，516路A/D转换模块，6遮光单元，7光调制单元，8移位寄存器，9三极管，10电阻。

具体实施方式

实施例1：如图1，将光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列焊接在电路板(3)上，一对光发射元件(1)与光接收元件(2)也可由一个光断续器替代；如图2，在透明基片中段沉积光衰减膜并使其厚度按余弦规律变化，在透明基片两端沉积很厚且均匀的光衰减膜制作成模拟型光调制单元(7)阵列(a)，如在非透明基片上开窗制作则可以制作成数字型光调制单元(7)阵列(b)，光调制单元(7)阵列两边的遮光单元(6)的宽度应大于光接收元件(2)之间的间距v；如图3，以光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列及电路作为静尺安装在基座上，光调制单元(7)阵列作为动尺安装在运动的被测位移的物体上，并使光调制单元(7)阵列位于光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列之间，当被测位移的物体移动时，光调制单元(7)阵列对光发射元件(1)阵列发射的光进行调制，光接收元件(2)阵列接收这一调制光序列，通过数据处理器(4)得到运动物体的位移值；如图4，所有移位寄存器(8)级联形成移位寄存器(8)阵列，每组光接收元件(2)由四个光接收元件(2)组成，数据处理器(4)通过I/O口线操作移位寄存器(8)阵列，使移位寄存器(8)阵列中相邻的四个输出引脚为低电平且步进环移，每次步进一组共四个光接收元件(2)，这四个输出低电平的引脚通过三极管(9)对光接收元件(2)阵列上的四组光接收元件(2)上电，电阻(10)阵列使光接收元件(2)的光电流变换成电压，该电压被16路A/D转换模块(5)采集并输出到数据处理器(4)，数据处理器(4)进行判断：如未采样到完整的光调制信号序列，则操作移位寄存器(8)阵列环移，进行步进扫描，重复上述判断；如已采样到完整的光调制信号序列，则计算光调制单元(7)阵列的位置，并将结果通过Tx、RX输出。

实施例2：如图5，在光调制单元(7)阵列上制作反射膜，将光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列焊接在一条线上，其余与实施例1相同，即构成反射式线位移测定装置。同样，也可以将光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列用反射式断续器阵列替代。

实施例3：如图6，将光调制单元(7)阵列与光发射元件(1)阵列安装在一起安装在运动的被测位移的物体上作为动尺，以光接收元件(2)阵列及电路作为静尺安装在基座上，其余与实施例1相同，即构成分离式线位移测定装置，这里所说的“分离”是指光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列分开安装在运动物体和基座上，需要同步控制光发射元件(1)阵列的光发射，并通过数据处理器对光接收元件(2)阵列进行扫描操作；从原理上讲，本专利所述光阵列的线位移与角位移测定装置要求的两个必备阵列：即，在空间上被调制的光信号阵列和光接收元件(2)阵列，在使用上可交换，因此，也可将光调制单元(7)阵列与光接收元件(2)阵列安装在一起作为动尺，以光发射元件(1)阵列作为静尺，并通过数据处理器控制对光发射元件(2)阵列进行扫描操作，同时计算动尺的位置。本例中，动尺其作用是发出在空间上被调制的阵列光信号，因此，动尺也可以通过选择光发射元件(1)之间的间距和发射角度而发出在空间上被调制的光信号阵列来实现，而无需实际使用光调制单元(7)阵列，这时，光发射元件(1)之间的间距与光接收元件(2)之间的间距不相等，另外，在本专利实施例1、2及4中，在没有动尺的部位，光接收单元(2)接收到的光信号均为最大，而在本实施例中，在没有动尺的部位，光接收单元(2)接收到的光信号为零，与此相适应，本实施例中，动尺的光信号阵列两端应改为发光单元，以便与遮光单元(6)对应。

实施例4：如图7、图8、图9，将光发射元件(1)阵列、光接收元件(2)阵列、光调制单元(7)阵列制作成环形，其余与实施例1相同，即构成直射型光阵列角位移测定装置。同样，也可相应的制作反射型或分离型光阵列角位移测定装置。

Claims (3)

1.一种线位移与角位移测定装置，其特征在于：光接收元件(2)阵列与数据处理器(4)及16路A/D转换模块(5)安装在电路板(3)上，光调制单元(7)阵列位于光发射元件(1)阵列与光接收元件(2)阵列之间；数据处理器(4)的I/O  线连接移位寄存器(8)，所有移位寄存器(8)依次级联，移位寄存器(8)通过三极管(9)对光接收元件(2)阵列上的四组光接收元件(2)上电，每组光接收元件(2)由四个光接收元件(2)组成，每四组光接收元件(2)的对应位置的光接收元件(2)输出引脚连接，使光接收元件(2)阵列的输出引脚合并为16个，这16个输出引脚连接电阻(10)阵列及16路A/D转换模块(5)的输入，电阻(10)阵列的另一端接地，16路A/D转换模块(5)的输出与数据处理器(4)连接，数据处理器(4)将结果通过Tx、RX输出。

2.根据权利要求1所述的线位移与角位移测定装置，其特征在于：所述光接收元件(2)阵列上各光接收元件(2)之间间距v相等。

3.根据权利要求1所述的线位移与角位移测定装置，其特征在于：光调制单元(7)阵列中段各调制单元(4)之间间距u相等，但调制单元(4)之间间距u与光接收元件(2)之间间距v不相等，光调制单元(7)阵列两端的遮光单元(6)的宽度大于光接收元件(2)之间间距v。

Images