CN208125925U - 一种高精度的距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度的距离测量装置，包括靶体和激光测距传感器，所述靶体粘贴安装在待测目标上，所述激光测距传感器安装在位移平台上，所述位移平台的左侧连接有步进电机，所述位移平台的移动方向垂直于靶体所在的平面；其中，所述激光测距传感器包括激光测距模块和微控制电路，所述激光测距模块通过串口与微控制电路通讯，所述微控制电路还与步进电机上的电机驱动器连接。本实用新型的有益效果：本实用新型基于高精度步距的步进电机及其位移平台上的激光测距传感器进行连续测距，通过算法拟合后可大幅度的提高激光测距精度；本装置采用非接触方法测量，方便测量；该装置还具有成本小，实现简单，量测结果稳定可靠的特点。

Description

一种高精度的距离测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量装置技术领域，具体来说，涉及一种高精度的距离测量装置。

背景技术

在常用[1,200]米区段的距离测量方法中有：卷尺、收敛计、激光测距仪和全站仪等等。这些距离测量方法中收敛计的精度是最高的，其理论精度可以达到0.01mm，但因其需要接触测量，测点连线中间不允许存在遮挡物。因此其现场实际应用不太方便，很难适应未来自动化测量的技术发展方向。激光测距仪和全站仪等测量方法其精度又偏低，其实测精度只能达到mm级别，与当前地铁、隧道等变形监测规范要求的精度0.1mm相去甚远。随着变形监测自动化、智慧城市等市场的倒逼行为，对于变形监测数据越来越趋向于自动化监测。市场迫切需要高精度、能满足自动化监测需求的测距产品。本发明目的在于提供高精度、符合自动化监测需求的高精度测距产品。据此提出一种高精度的距离测量方法，并设计出一种便携小巧，高精度的测距装置，实现高精度的距离测量以及目标物位移及变形监测。

实用新型内容

针对相关技术中的上述技术问题，本实用新型提出一种高精度的距离测量装置，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种高精度的距离测量装置，包括靶体和激光测距传感器，所述靶体粘贴安装在待测目标上，所述激光测距传感器安装在位移平台上，所述位移平台的左侧连接有步进电机，所述位移平台的移动方向垂直于靶体所在的平面；其中，所述激光测距传感器包括激光测距模块和微控制电路，所述激光测距模块通过串口与微控制电路通讯，所述微控制电路还与步进电机上的电机驱动器连接。

进一步的，所述微控制电路包括主控芯片、电源供电模块、OLED显示屏和无线模块，所述的电源供电模块、OLED显示屏和无线模块均与主控芯片连接。

进一步的，所述的步进电机通过电机编码器与微控制电路中的主控芯片连接。

进一步的，所述主控芯片为STM32主控芯片。

进一步的，所述的步进电机采用两相四线的固定轴式直线步进电机。

进一步的，所述的主控芯片通过RXD1和TXD1与无线模块实现通信。

进一步的，所述主控芯片通过IIC、SDA和SCL与OLED显示屏通信。

本实用新型的有益效果：本实用新型基于高精度步距的步进电机及其位移平台上的激光测距传感器进行连续测距，通过算法拟合后可大幅度的提高激光测距精度；本装置采用非接触方法测量，方便测量；该装置还具有成本小，实现简单，量测结果稳定可靠的特点；整个系统结构尺寸小，可作为独立的传感器应用于自动化监测，具有实用性强的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例所述的一种高精度的距离测量装置的工作原理示意图；

图2是根据本实用新型实施例所述的测距模块通信控制示意图；

图3 是根据本实用新型实施例所述的微控电路显示电路示意图；

图4 是根据本实用新型实施例所述的锂电池充电及稳压电路示意图；

图5 是根据本实用新型实施例所述的微控制电路结构原理示意图；

图6 是根据本实用新型实施例所述的测距装置电机驱动控制示意图；

图中：

1、步进电机；2、位移平台；3、激光测距传感器；4、靶体；5、发射激光；6、接收激光；7、待测目标。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，根据本实用新型实施例所述的一种高精度的距离测量装置，包括靶体4和激光测距传感器3，所述靶体4粘贴安装在待测目标7上，所述激光测距传感器3安装在位移平台2上，所述位移平台2的左侧连接有步进电机1，所述位移平台2的移动方向垂直于靶体4所在的平面；其中，所述激光测距传感器3包括激光测距模块和微控制电路，所述激光测距模块通过串口与微控制电路通讯，所述微控制电路还与步进电机1上的电机驱动器连接。

在一具体实施例中，所述微控制电路包括主控芯片、电源供电模块、OLED显示屏和无线模块，所述的电源供电模块、OLED显示屏和无线模块均与主控芯片连接。

在一具体实施例中，所述的步进电机1通过电机编码器与微控制电路中的主控芯片连接。

在一具体实施例中，所述主控芯片为STM32主控芯片。

在一具体实施例中，所述的步进电机1采用两相四线的固定轴式直线步进电机。

在一具体实施例中，所述的主控芯片通过RXD1和TXD1与无线模块实现通信。

在一具体实施例中，所述主控芯片通过IIC、SDA和SCL与OLED显示屏通信。

为了方便理解本实用新型的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本实用新型的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，本实用新型首先将激光测距传感器置于高精度步进电机的位移平台上，调整位移平台移动方向垂直于靶体所在的平面，在移动平台的移动过程中由激光测距模块将距离值反馈到微控制电路中；微控制电路输出驱动脉冲信号给电机驱动器，由电机驱动器驱动步进电机做高精度转动带动位移平台的移动，在不断移动的位移平台上的激光测距模块不断反馈距离值给微控制电路，以此形成闭环的监测数据流；微控制电路根据激光测距模块反馈的距离值以及根据步进电机驱动脉冲的数量确定的位移平台的移动距离进行算法分析，从而准确判断目标物相对位置的细小位移或形变，其高精度测距原理结构示意图如图1所示。

该高精度的距离测量装置由激光测距传感器、靶体、直线步进电机、电机驱动器组成，如图5所示，具体功能如下：

激光测距传感器主要包括激光测距模块、微控制电路；激光测距模块将经过调制的激光束发射（既发射激光5）到靶体上并产生反射激光信号（既接收激光6），激光测距模块采用高精度的接收管采集到反射回来的信号并经过解调，通过测试发射和接收波形的相位差计算出和靶体之间的距离，将测算出来的距离值通过串口回传给微控制器进行进一步数据分析，如图2所示；微控制电路是高精度测距装置进行控制的核心部件，包括主控芯片、电源及稳压电路、OLED（有机发光二极管）显示电路、通信电路组成，主要功能包括：

（1）接收并处理来自激光测距模块的距离值；

（2）产生脉冲驱动信号给电机驱动器，使步进电机推动位移平台高精度移动；

（3）产生方向电平信号给电机驱动器，控制步进电机的旋转方向，使位移平台向前高精度位移进行测量，待完成测试后由微控制器控制改变旋转方向后，使位移平台向后移动最终回到零位，准备下一次循环测试；

（4）与步进电机编码器的数据通信控制，对编码器的反馈数据进行识别，微控制电路能根据驱动脉冲数量与编码器的反馈数据进行比对分析，形成电机运转的闭环控制，保证电机的精准位移以及电机回到零位的高精度识别；

（5） 根据激光测距模块反馈的距离值以及根据步进电机驱动脉冲的数量确定的位移平台的移动距离进行算法分析，计算测距模块与靶体之间的精准距离；

（6） 将计算得到的精准距离值通过I2C或者SPI接口提供的OLED显示；

（7） 将计算得到的精准距离值通过无线模块实时上传到其他显示终端，如图3所示；

（8）该微控制电路的电源供电及稳压电路为主控芯片、无线模块、OLED显示屏提供稳定的电压，同时设置锂电池充放电管理电路，在外置电源断开的情况下，也能保证测距传感器的稳定工作，如图4所示。

靶体有效粘贴在整平后的待测目标体表面，当目标体发生变形或者移位靶体会随着目标体变动，主要用于反射激光测距模块发出的光路信号，是激光测距能否准确测量的重要组成部分；步进电机将根据微控制电路发过来的脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的步距角，通过控制脉冲个数来控制角位移量，驱动轴承带动激光传感器高精度移动，步进电机还会接收具有步进角小，精度高，技术成熟，性能稳定可靠的特点；电机驱动器根据微控电路脉冲指令控制步进电机按照一定的步距角的精确运转，同时电机驱动器根据微控制芯片产生的方向信号控制电机的旋转方向，使步进电机带动位移平台前后移动，实现往复的距离测量，如图6所示，该电机驱动器能实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小等特点。

实施例一：

本发明的高精度激光测位移装置主要包括激光测距传感器、靶体、直线步进电机、电机驱动器；激光测距传感器包括激光测距模块和微控制电路。

激光测距模块跟随步进电机其上的移动平台高精度的移动，不断反馈激光测距模块到靶体之间的距离值给微控制电路，以便于STM32微控制芯片进行数据算法分析，具体连接方式为激光测距模块的TXD与STM32微控芯片的USART1的TXD相连接，激光测距模块的RXD与STM32微控芯片的USART1的RXD相连接,两者供电均为3.3V电压，如图2所示。

微控制电路为该测距装置的核心控制部件，本例采用STM32单片机进行说明，但不限于该单片机，STM32将所有子模块(如激光测距模块、电机驱动器、电机编码器、OLED显示、无线模块)建立关联并进行集中控制。

STM32与电机驱动器由于供电电压不同，所以STM32 GPIO输出的脉冲信号（MCU_CP-）以及方向信号（MCU_CW-）均通过三极管Q1、Q2进行放大反相转换成5V幅值再提供给电机驱动器的CP-端和CW-端，电机驱动器的阳极CP+和CW+均直接连接5V端口，驱动器内部将CP和CW信号进行隔离后再送到内核驱动控制，如图6所示。

步进电机采用两相四线的固定轴式直线步进电机，电机驱动器产生的四路驱动信号，驱动步进电机根据脉冲数进行旋转，而固定轴式的步进电机已经将旋转的角度转化为前后移动的步长，移动的精度可达到0.01mm，而激光测距模块固定于直线步进电机的运动轴承之上，所以也会按照电机的高精度位移而移动。电机驱动器为12V供电，根据微控制电路的脉冲信号和方向信号产生2相4路信号驱动步进电机运转，连接方式为驱动器的A+/A-/B+/B-分别连接到步进电机的A相(红线、黄线)、B相(黑线、白线)。步进电机轴承运转过程中会带动编码器内轴的跟随旋转从而识别步进电机实际旋转的步距角，将该数据通过PA和PB反馈给STM32微控制电路，微控制电路根据发出给电机驱动器的脉冲数和接收到编码器的脉冲数进行闭环控制，有效避免丢步的问题以及通过闭环控制可以准确确定电机的零位，以便于往复测量的精度，具体连接如图6所示。

微控制电路的充电及稳压电路，由外置DC12V输入，其充电电路采用TP4056锂电池充电管理芯片，采用恒定电流/恒定电压的充电方式，正常情况下由外置的电源适配器12V供电经过AMS1117线性稳压后提供给STM32主芯片、测距模块、无线模块、OLED显示屏等，外置电源移走，则由锂电池持续供电。充电完成时，PIN6电位置低，LED1导通发绿光指示；正在充电时，PIN7电位置低，LED2导通发红光指示，如图4所示。

微控制电路通过IIC（SDA、SCL）与OLED显示屏通信，OLED也是3.3V供电，将经过算法分析后得出的精确的距离值在显示屏上显示，以及用于其他工作状态、故障状态等信息显示；微控制电路通过RXD1和TXD1与无线模块实现通信，无线模块则可将数据进行远程上传，实时监测目标的状态，并进行大数据分析，具体连接如图3所示。

综上所述，本实用新型基于高精度步距的步进电机及其位移平台上的激光测距传感器进行连续测距，通过算法拟合后可大幅度的提高激光测距精度；本装置采用非接触方法测量，方便测量；该装置还具有成本小，实现简单，量测结果稳定可靠的特点；整个系统结构尺寸小，可作为独立的传感器应用于自动化监测，具有实用性强的优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度的距离测量装置，其特征在于，包括靶体（4）和激光测距传感器（3），所述靶体（4）粘贴安装在待测目标（7）上，所述激光测距传感器（3）安装在位移平台（2）上，所述位移平台（2）的左侧连接有步进电机（1），所述位移平台（2）的移动方向垂直于靶体（4）所在的平面；其中，所述激光测距传感器（3）包括激光测距模块和微控制电路，所述激光测距模块通过串口与微控制电路通讯，所述微控制电路还与步进电机（1）上的电机驱动器连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述微控制电路包括主控芯片、电源供电模块、OLED显示屏和无线模块，所述的电源供电模块、OLED显示屏和无线模块均与主控芯片连接。

3.根据权利要求1所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述的步进电机（1）通过电机编码器与微控制电路中的主控芯片连接。

4.根据权利要求2所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述主控芯片为STM32主控芯片。

5.根据权利要求1所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述的步进电机（1）采用两相四线的固定轴式直线步进电机。

6.根据权利要求2所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述的主控芯片通过RXD1和TXD1与无线模块实现通信。

7.根据权利要求2所述的一种高精度的距离测量装置，其特征在于，所述主控芯片通过IIC、SDA和SCL与OLED显示屏通信。