CN206709860U - 高速直线测距装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高速直线测距装置，用于测量待测物体在高速运动中的绝对位移，包括一标尺、移动读头、信号产生/处理电路、激励信号转接器及固定于所述待测物体上的反射板；所述标尺朝向所述移动读头的一面上设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条，所述标尺背向所述移动读头的一面上设有多路载波信号传输线；所述移动读头包括一激光测距模块及读取模块，所述读取模块包括第一电极读头及第二电极读头。上述高速直线测距装置，将现有的增量式编码器技术与相位式激光测距技术有机结合，对高速运动中的待测物体进行测量，可以获得更高分辨率的绝对位置信号，并且自动累计位置信号，实现高速高精度的位移测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种高速直线测距装置。
背景技术
线性编码器是一种应用十分广泛的位移传感器，特别是在机床和自动化设备中，常用非接触式线性编码器测量高速运动场合。非接触式线性编码器一般包括静尺和滑动读头。静尺上有刻度信息，滑动读头一般安装在被测物体上，随被测物体一起运动，通过与静尺的刻度信息比较，输出位移信号。
但是在电梯、行车等长距离位移测量的应用中，常用的光栅编码器都不能满足要求，主要原因是成本高，使用条件十分简陋，光栅编码器读头与光栅尺之间的气隙要求不能保证。磁栅尺技术成本虽然较低，但往往不容易实现绝对位置认址，即不能输出绝对位置，这样需要增加回零点装置，在电梯与行车这些长距离移动设备上带来不便。
实用新型内容
基于此，本实用新型提供一种高速直线测距装置，以便于更见简便、精准地实现绝对位移测量。
为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种高速直线测距装置，用于测量待测物体在高速运动中的绝对位移，包括一标尺、相对设置于所述标尺上方的移动读头、设置于所述移动读头内部的信号产生/处理电路、电连接所述信号产生/处理电路的激励信号转接器及固定于所述待测物体上的反射板；所述标尺朝向所述移动读头的一面上设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条，所述标尺背向所述移动读头的一面上设有多路载波信号传输线；所述移动读头包括一激光测距模块及读取模块，所述读取模块包括第一电极读头及第二电极读头。
上述高速直线测距装置，将现有的增量式编码器技术与相位式激光测距技术有机结合，对高速运动中的待测物体进行测量，可以获得更高分辨率的绝对位置信号，并且自动累计位置信号，实现高速高精度的位移测量。
在其中一个实施例中，所述载波信号传输线与所述电极条的相应交叉点上设有一导电孔。
在其中一个实施例中，所述信号产生/处理电路包括信号产生单元、信号采集单元、电连接所述信号采集单元的信号解调单元、电连接所述信号解调单元的信号过滤单元及电连接所述信号过滤单元的数据融合单元。
在其中一个实施例中，所述激励信号转接器的一端通过若干导线连接所述信号产生单元，另一端连接所述信号载波信号传输线。
在其中一个实施例中，所述电极条以每连续的四个电极条作为一个周期。
在其中一个实施例中，所述第一电极读头与所述第二电极读头的配合处的形状为正弦波形。
在其中一个实施例中，所述正弦波形的周期与所述电极条的周期对应。
附图说明
图1为本实用新型一较佳实施方式的高速直线测距装置的结构示意图；
图2为图1所述的高速直线测距装置的标尺与移动读头的结构示意图；
图3为图1所述的高速直线测距装置的系统方框图；
附图标注说明：
10-标尺，11-电极条，12-载波信号传输线，13-导电孔，20-移动读头，21-激光测距模块，22-读取模块，23-第一电极读头，24-第二电极读头，30-信号产生/处理电路，31-信号产生单元，32-信号采集单元，33-信号解调单元，34-信号过滤单元，35-数据融合单元，40-激励信号转接器，50-反射板。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
请参阅图1至图3，为本实用新型一较佳实施方式的高速直线测距装置，用于测量待测物体在高速运动中的绝对位移。所述高速直线测距装置包括一标尺10、相对设置于所述标尺10上方的移动读头20、设置于所述移动读头20内部的信号产生/处理电路30、电连接所述信号产生/处理电路30的激励信号转接器40及固定于所述待测物体上的反射板50。所述高速直线测距装置，将现有的增量式编码器技术与相位式激光测距技术有机结合，对高速运动中的待测物体进行测量，可以获得更高分辨率的绝对位置信号，并且自动累计位置信号，实现高速高精度的位移测量。
所述标尺10为一PCB板，可以是刚性PCB板或柔性PCB板。所述标尺10朝向所述移动读头20的一面上设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条11，所述标尺10背向所述移动读头20的一面上设有多路载波信号传输线12，且所述载波信号传输线12与各所述电极条11的相应交叉点上分别设有一导电孔13，所述载波信号传输线12通过所述导电孔13电连接所述电极条11，使得所述载波信号传输线12上的载波激励信号加载到相应的电极条11上；所述电极条11上的载波激励信号向上发射，被所述移动读头20所接收。在本实施例中，所述电极条11以偶数个数构成一组或者一个周期，如四个、六个、八个等。在本实施例中，所述电极条11以每连续的四个激励极为一个周期。
所述移动读头20包括激光测距模块21及读取模块22。使用时，所述激光测距模块21向所述待测物体上的反射板50发射一串激光脉冲，接收反射回来的该激光脉冲，用以计算所述移动读头20与待测物体之间的距离。
具体地，所述激光测距模块21，发射一串频率为fs的激光脉冲，经分束后小部分光进入参考光路，触发计数器计数，所述激光测距模块21的接收系统接收到从所述反射板50返回的信号时终止计数，所述计数器上的计数值乘以时钟周期就是该激光脉冲束的传播时间t。该激光脉冲束在往返经历延时，切在往返一次的途中产生相位移动θ，利用外差法测得θ，原理是采用两路高频信号与本振信号经过混频、低通滤波、整形后分别触发触发器，利用时钟填充测得θ，则待测距离值为：
其中c为光速。
所述读取模块22采用反对称形状的第一电极读头23与第二电极读头24，所述第一电极读头23与所述第二电极读头24可通过与所述电极条11对应的面积产生感应电荷，实现产生两路差分的调制信号。所述第一电极读头23与所述第二电极读头24相配合处的形状为正弦波形，该正弦波形的周期与所述电极条11的周期对应，即长度相等。
当所述读取模块22与所述标尺10有相对位移时，可将这个位移转换成在一个周期的相位角则所述第一电极读头23的感应电荷VA：其中K为系数，与许多因素有关，如激励信号幅度、电极条面积、标尺与读取模块之间气隙、气隙介电常数等，一般在特定设计和工作环境下，K近似为常数。
所述第二电极读头24上的感应电荷VA'与所述第一电极读头24上的感应电荷VA符号相反，则所述第一电极读头23的感应电荷VA与第二电极读头24上的感应电荷VA'传输到所述信号产生/处理电路30进行下一流程的处理。
所述信号产生/处理电路30包括信号产生单元31、信号采集单元32、信号解调单元33、信号过滤单元34及数据融合单元35。所述信号产生单元31产生四路正弦波激励信号，连接所述激励信号转接器40，再分别加载到各电极条11上。在本实施例中，所述信号产生单元31采用频率高于10kHz的正弦波信号作为激励信号，该激励信号分别加载到各电极条11上，每个电极条11上的信号对应的相位偏移分别为0，90，180和270度，即相邻两个电极条11信号之间的相位差为360/4＝90度。
所述信号采集单元32电连接所述读取模块22，采集来自所述第一电极读头23与第二电极读头24接收的调制信号，并加以放大处理。所述信号解调单元33电连接所述信号采集单元32，所述信号解调单元33接收经过放大的调制信号，与激励信号相乘可以分离激励信号和位移信号。本实施例中采用正弦激励信号，所述调制信号与正弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移的余弦函数与激励信号两倍频率的信号相比，所述位移的余弦函数是直流量，经过所述信号过滤单元34去掉高频分量，就得到了同理类似，当激励源为余弦激励信号时，所述信号解调模块33接收的调制信号与余弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移的正弦函数与激励信号两倍频率的信号相比，所述位移的正弦函数是直流量，经过所述信号过滤单元34去掉高频分量，就得到了在本实施例中，所述信号过滤单元34为一低通滤波器。通过上述方法获得位移的正余弦信号后，就可以通过各种计算方式解算出位移量Y，市面上已有产品可以直接接受这种正余弦信号作为编码器的输出，该技术已经相当成熟，所以本发明不再赘述中间的计算过程。
所述数据融合单元35用于综合上述激光测距模块21与容栅编码器测出的数据，进而解算得到高精度的绝对位置。举个例子，假设所述标尺10的电周期距离为n毫米，最高分辨率可达1微米，利用容栅编码器得到的相对位置是Y毫米，且0≤Y≤n，X的取值精度可以根据应用设定。假设在上电瞬间，所述激光测距模块21得到所述移动读头20与所述反射板50之间的距离为L毫米，则所述数据融合单元35计算绝对位置X的公式为：
其中Int(X)是取整函数。
所述激励信号转接器40的一端通过若干导线连接所述移动读头20，具体地，所述激励信号转接器40连接所述信号产生单元31，接收激励信号。所述激励信号转接器40的另一端连接所述载波信号传输线12，将激励信号通过所述载波信号传输线12加载到所述电极条11上。
上述高速直线测距装置，将现有的增量式编码器技术与相位式激光测距技术有机结合，对高速运动中的待测物体进行测量，可以获得更高分辨率的绝对位置信号，并且自动累计位置信号，实现高速高精度的位移测量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种高速直线测距装置，其特征在于，包括一标尺、相对设置于所述标尺上方的移动读头、设置于所述移动读头内部的信号产生/处理电路、电连接所述信号产生/处理电路的激励信号转接器及固定于待测物体上的反射板；所述标尺朝向所述移动读头的一面上设置有若干均匀排列且发射表面形状相同的电极条，所述标尺背向所述移动读头的一面上设有多路载波信号传输线；所述移动读头包括一激光测距模块及读取模块，所述读取模块包括第一电极读头及第二电极读头。
2.根据权利要求1所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述载波信号传输线与所述电极条的相应交叉点上设有一导电孔。
3.根据权利要求1所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述信号产生/处理电路包括信号产生单元、信号采集单元、电连接所述信号采集单元的信号解调单元、电连接所述信号解调单元的信号过滤单元及电连接所述信号过滤单元的数据融合单元。
4.根据权利要求3所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述激励信号转接器的一端通过若干导线连接所述信号产生单元，另一端连接所述信号载波信号传输线。
5.根据权利要求1所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述电极条以每连续的四个电极条作为一个周期。
6.根据权利要求1所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述第一电极读头与所述第二电极读头的配合处的形状为正弦波形。
7.根据权利要求6所述的高速直线测距装置，其特征在于，所述正弦波形的周期与所述电极条的周期对应。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201720417357.9U CN206709860U (zh) | 2017-04-19 | 2017-04-19 | 高速直线测距装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110657744A (zh) * | 2019-09-29 | 2020-01-07 | 深圳市兆威机电股份有限公司 | 位置检测装置、控制方法、动力装置和计算机可读介质 |
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2017
- 2017-04-19 CN CN201720417357.9U patent/CN206709860U/zh active Active
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