CN209310726U - 一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，包括平面位移传感器和悬设在平面位移传感器下的气浮悬停机构；所述的气浮悬停机构包括磁钢和与磁钢固定连接的气浮悬停体。本实用新型的位移采集装置可以在磁场的任意一个平面中，通过传感器可以测量任何一个点相对于参考点之间的相对距离和方向，位移检测精度≤0.2mm。

Description

一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置

技术领域

本实用新型属于数据测量设备领域，具体为一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置。

背景技术

在稳定磁场中，任意构建一个平面，在平面中指定一个参考点，采用磁感应技术，测量平面中的任何一个点对参考点之间的距离和方向。目前对于上述的技术要求，没有已知的传感器可以满足此要求。更未见相应的测试装置。

发明内容

为了填补现有技术中的空白，本实用新型给出了一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，通过气浮悬停机构与位移传感器的配合实现待测品的位移测定，能在微小的范围内进行测定，比如进行固体火箭发动机的点火位移测量。

本实用新型采取的技术方案包括：

一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，包括平面位移传感器和悬设在平面位移传感器下的气浮悬停机构；

所述的气浮悬停机构包括磁钢和与磁钢固定连接的气浮悬停体。

可选的，所述的平面位移传感器内设置有处理器模块；还设置有在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块。

可选的，所述的平面位移传感器还包括外壳，在外壳的一端设置处理器模块；在外壳的另一端在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块；

所述的磁场探测模块有9个，按照3×3的矩阵形式布置；

所述的磁场探测模块的芯片为HMC1512；每个磁场探测模块分别在X轴方向和Y轴方向各设置一个HMC1512芯片；

所述的处理器模块的芯片为DSP TMS320F28335。

可选的，所述的气浮悬停体至少位移测试台，与位移测试台连接的气瓶，气瓶下连接出气口，通过出气口出气的反推力实现气浮悬停体的悬停。

可选的，所述的气浮悬停体包括架体，所述的架体包括在同一轴向依次设置的位移测试台和气浮承载台，气浮承载台上设置气瓶，在气浮承载台下设置多个出气口，所述的出气口与气瓶连通。

可选的，在所述的架体顶部固设支撑架，支撑架上固设磁钢。

可选的，在所述的气浮悬停机构下还设置试验台和试验架，气浮悬停体的出气口朝向试验台的台面；

所述的试验台的台面平整度要求为双零级。

可选的，还包括位移随动机构，位移随动机构包括横向随动轨道、纵向随动轨道和随动控制器；

随动控制器与所述的平面位移传感器连接。

可选的，所述的随动控制器由DSP控制完成，其CPU信号为TMS320F28335。

可选的，还包括位移随动支架，位移随动支架将位移随动机构支设在所述的气浮悬停机构上方。

本实用新型的优点为：

本实用新型的位移采集装置可以在磁场的任意一个平面中，通过传感器可以测量任何一个点相对于参考点之间的相对距离和方向，位移检测精度≤0.2mm。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本实用新型的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置结构示意图；

图2是图1中的气浮悬停机构的结构放大图；

图3是图1中平面位移传感器的结构示意图；

图4是平面位移传感器的工作原理图；

图5是平面位移传感器的检测计算单元的线性区域划分原理图；

图中各标号表示为：

1-平面位移传感器、11-处理器模块、12-磁场探测模块、13-外壳、14-盖板、2- 气浮悬停机构、21-气浮悬停体、211-位移测试台、212-支柱、213-气瓶、214-气压表、 215-气管、216-阀门、217-气浮承载台、218-出气口、22-磁钢、3-位移随动机构、31- 横向随动轨道、32-纵向随动轨道、33-伺服电机、34-随动控制器、4-供电存储机构、 41-供电箱、42-数采箱、5-试验架、6-试验台、7-位移随动机构支架；

图1中的磁钢22和图3中的磁钢G为同一部件，在位移检测方法中通常用磁钢G 进行表示，在装置中通常用磁钢22表示。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

结合图1、2和3，本实用新型的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，包括平面位移传感器1和悬设在平面位移传感器1下的气浮悬停机构2；气浮悬停机构 2包括磁钢22和与磁钢22固定连接的气浮悬停体21。可以将待检测品放置在气浮悬停机构2上，通过气浮的形式，使磁钢22与平面位移传感器1之间仅进行磁力线变化的感应，两者没有任何的接触，完全去除了接触后其他作用力带来的干扰，只要待检测品带动气浮悬停机构出现位移变化，都会通过平面位移传感器进行捕获，从而形成位移数据进行收集存储。

在本公开的实施例中，平面位移传感器1内设置有处理器模块11；还设置有在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块12。比如，在本公开的实施例中，平面位移传感器1还包括外壳13，在外壳13的一端设置处理器模块11；在外壳13的另一端在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块12；磁场探测模块12有9个，按照3 ×3的矩阵形式布置；磁场探测模块12的芯片为HMC1512；每个磁场探测模块12分别在X轴方向和Y轴方向各设置一个HMC1512芯片；处理器模块的芯片为DSP TMS320F28335。

在本公开的实施例中，气浮悬停体21至少包括位移测试台211，与位移测试台211连接的气瓶213，气瓶213下连接出气口218，通过出气口218出气的反推力实现气浮悬停体21的悬停。待检测品可以放置在位移测试台211上，气浮悬停体21将磁钢22 以固定的位置悬设在平面位移传感器1下，仅能将待检测品的位移实转移到气浮悬停体 21和磁钢22上，再通过平面位移传感器1的捕获进行数据收集。

在本公开的实施例中，气浮悬停体21包括架体，架体包括在同一轴向依次设置的位移测试台211和气浮承载台217，气浮承载台217上设置气瓶213，在气浮承载台217 下设置多个出气口218，出气口218与气瓶213连通。比如架体为几个支柱212形成的筒形架体，在架体的一端沿垂直于架体的轴向设置气浮承载台217，在架体的另一端沿垂直于轴向设置位移测试台211，在气浮承载台217上设置气管215、气瓶213和压力表214，通过气管215上是阀门216进行气瓶213出气量的控制，出气口218设置在气浮承载台217下并与气瓶213出气口连通。

在本公开的实施例中，在架体顶部固设支撑架，支撑架上固设磁钢22。主要用于将磁钢22与气浮悬停体21固定连接，实现两者位移变化的同步。

在本公开的实施例中，在气浮悬停机构2下还设置试验台6和试验架5，气浮悬停体21的出气口218朝向试验台6的台面；试验台6的台面平整度要求为双零级。

在本公开的实施例中，还包括位移随动机构3，位移随动机构3包括横向随动轨道31、纵向随动轨道32和随动控制器34；随动控制器34与平面位移传感器1连接。位移随动机构3主要将平面位移传感器1接收的位移信号转移成沿X轴和Y轴的位移距离，进行具体的位移数据呈现。通过伺服电机33控制横向随动轨道31和纵向随动轨道32 的位移变化。

在本公开的实施例中，随动控制器34由DSP控制完成，其CPU信号为TMS320F28335。

在本公开的实施例中，还包括位移随动支架7，位移随动支架7将位移随动机构3支设在气浮悬停机构2上方。

还包括供电存储机构4，供电存储机构4包括供电箱41和数采箱42，主要用于整个装置的供电和位移数据采集存储。

实施例一：

图1中，试验架5上设置试验台6，试验台6采用大理石平台研磨而成，通过试验架5安装在预埋的地基上。位移随动机构支架7采用不锈钢支架，安装在在预埋的地基上。气浮悬浮机构2在大理石平面上悬停。气浮悬停机构2的气压应≥15mPa，其内部气压在气压表214上可以读出。

平面位移传感器1与随动的随动控制器34相连。位移随动机构3包括2根X轴模组和1根Y轴模组，X轴模组即为横向随动轨道，Y轴模组即为纵向随动轨道。随动控制器34用于控制模组端部的伺服电机33，带动模组动作。位移随动机构3和平面位移传感器1的供电接入供电箱41中，数据信号接入数采箱42中。

模组由台伺服电机和丝杠模组组成。伺服电机的型号为：ME042A-02-MB，丝杠模组的型号为：HK85-F0。

随动控制器34由DSP控制完成，其CPU信号为TMS320F28335。

本实用新型的装置工作过程：

待测发动机安装在气浮悬停机构2上，具体是放置在位移测试台211上，当发动机点火后，带动气浮悬停机构2运动，当气浮悬停机构2上的磁钢22和平面位移传感器1之间有相对位移后，平面位移传感器1根据位移检测方法会计算出该偏差的大小，然后将坐标送给随动控制器34，随动控制器34根据收到的坐标，控制模组单元前进或后退。数采箱42采集模组单元的位移移动信号。

结合图4和5，位移检测方法主要包括：

步骤一、选定磁钢G，以四个相邻的磁场探测模块为检测计算单元，进行每个检测单元的线性区域及非线性区域的划分：

(1)磁钢G的选定：

磁钢G的初始原点O(0,0)为位移传感器上多个磁场探测模块的几何中心点，比如在图4中，磁场探测模块有9个，按照矩阵的形式布置，磁钢G的初始原点O如图中所示的中心点；对磁钢G进行筛选，相邻两个磁场探测模块在X轴方向和Y轴方向之间的距离相等，均为距离d，单位为cm，以磁钢G为中心，在半径H±0.5cm范围内磁钢G的磁感应强度G_T≥80Gs。

(2)以相邻的四个磁场探测模块为检测计算单元，进行X轴方向和Y轴方向的线性区域和非线性区域的划分：

以相邻的四个磁场探测模块为检测计算单元，每个磁场探测模块的几何中心为区域顶点，顶点的顺次连线为区域边界，按照从左到右由上到下的顺序，依次将四个磁场探测模块命名为磁场探测模块A、磁场探测模块B、磁场探测模块C和磁场探测模块D；

a、X轴方向的线性区域和非线性区域的划分：在划定的区域边界内分别进行X轴方向的线性区域划分，以U_X1和U_X2为X轴方向的线性区域的划分界限，形成沿X轴方向的第一横向线性区域L_X1、横向非线性区域BP_X和第二横向线性区域L_X2；U_X1为在同一X轴方向的靠近原点的磁场探测模块的电压校准临界点值，U_X2为在同一X轴方向的远离原点的磁场探测模块的电压校准临界点值；U_X3为X轴方向靠近原点的磁场探测模块和远离原点的磁场探测模块之间的中线与靠近原点的磁场探测模块的电压输出波的交点电压值；U_X4为X轴方向靠近原点的磁场探测模块和远离原点的磁场探测模块之间的中线与远离原点的磁场探测模块的电压输出波的交点电压值。

b、Y轴方向的线性区域和非线性区域的划分：在划定的区域边界内分别进行Y轴方向的线性区域划分，以U_Y1和U_Y2为Y轴方向的线性区域的划分界限，形成沿Y轴方向的第一纵向线性区域L_Y1、纵向非线性区域BP_Y和第二纵向线性区域L_Y2；U_Y1为在同一Y轴方向的靠近原点的磁场探测模块的电压校准临界点值，U_Y2为在同一Y轴方向的远离原点的磁场探测模块的电压校准临界点值；U_Y3为Y轴方向靠近原点的磁场探测模块和远离原点的磁场探测模块之间的中线与靠近原点的磁场探测模块的电压输出波的交点电压值； U_Y4为Y轴方向靠近原点的磁场探测模块和远离原点的磁场探测模块之间的中线与远离原点的磁场探测模块的电压输出波的交点电压值。

比如，以靠近原点的磁场探测模块A为例，其U_X1和U_X2的数值确定过程为：磁钢G以＜20mm/s的速度，沿着预设的标定线匀速从A的左侧移动到B的右侧，绘制出一条U_XA的校准电压-位移曲线，然后根据采集的电压和位移关系建立一条通过U_XA＝0点的直线， L＝k·f(u)，L：磁钢的位移；u：磁场探测模块的输出电压；k：调整系数，k＝1。将校准电压-位移曲线与直线以U_XA＝0为起点进行重合，当连续出现同一电压值而两条曲线的位置差的绝对值＞0.2mm时，重合过程停止。此时校准电压曲线上对应的电压值为U_X1。用同样的方法，采用U_XB的电压-位移曲线可以确定U_X2。同理，也可以进行Y轴方向的磁场探测模块的交点电压值的确定。

磁场探测模块A和磁场探测模块B为沿X轴方向位于同一行的磁场探测模块；磁场探测模块C和磁场探测模块D为沿X轴方向位于同一行的磁场探测模块；磁场探测模块A和磁场探测模块C为沿Y轴方向位于同一列的磁场探测模块；磁场探测模块B和磁场探测模块D为沿Y轴方向位于同一列的磁场探测模块。

步骤二、根据电压特征值、线性区域和非线性区域的划分结果，计算磁钢G在不同检测计算单元中X轴的偏差值L_x，计算磁钢G在不同检测计算单元中Y轴的偏差值L_y：

磁场探测模块A、磁场探测模块B、磁场探测模块C和磁场探测模块D在X轴方向输出的电压分别为U_ax、U_bx、U_cx和U_dx；磁场探测模块A、磁场探测模块B、磁场探测模块C和磁场探测模块D在Y轴方向输出的电压分别为U_aY、U_bY、U_cY和U_dY；

(1)根据电压特征值，确定磁钢在X轴的偏差值：

1a)以在同一列的两个磁场探测模块为基准进行离磁钢G最近的沿X轴方向磁场探测模块行的判断：以位于同一列的磁场探测模块A和磁场探测模块C进行判断，或以位于同一列的磁场探测模块B和磁场探测模块D进行判断均可：

以位于同一列的磁场探测模块A和磁场探测模块C进行判断；当U_X3≤U_ay<0,则采用磁场探测模块A所在的磁场探测模块行的电压进行计算；当U_X4>U_cy>0，则采用磁场探测模块C所在的磁场探测模块行的电压进行计算；同理，也可采用位于同一列的磁场探测模块B和磁场探测模块D进行判断。

1b)以步骤1a中选定的磁场探测模块行为基准，进行磁钢G所在横向线性区域的判断：

步骤1a选定的磁场探测模块行为磁场探测模块A所在的行，当U_X1≤U_ax<0,则磁钢G处于第一横向线性区域L_X1；当0≤U_bx<U_X2,则磁钢G处于第二横向线性区域L_X2；

在第一横向线性区域L_X1或第二横向线性区域L_X2内，根据线性关系：

L_x＝k·f(u)

其中，Lx：在X轴方向磁钢与磁场探测模块之间的相对偏差距离；u：磁场探测模块的输出电压，在L_X1区域，u＝U_ax，在L_X2区域，u＝U_bx；k：调整系数；通过标定过程获得该参数的值，通常的取值为1，上下浮动0.5。

当U_ax<U_x1和/或U_bx≥U_x2，则磁钢G处于横向非线性区域BP_X；在横向非线性区域 BP_X内，采用BP神经元算法求解，可得Lx。

(2)根据电压补偿值，确定磁钢在Y轴的偏差值：

2a)以在同一行的两个磁场探测模块为基准进行进行离磁钢G最近的沿Y轴方向磁场探测模块列的判断：以位于同一行的磁场探测模块A和磁场探测模块B进行判断；或以位于同一行的磁场探测模块C和磁场探测模块D进行判断均可；

当U_y3≤U_cx<0,则采用磁场探测模块C所在的磁场探测模块列的电压进行计算；当U_y4>U_dx>0，则采用磁场探测模块D所在的磁场探测模块列的电压进行计算；

2b)以步骤2a中选定的磁场探测模块列为基准，进行磁钢G所在纵向线性区域的判断：

比如，步骤2a选定的磁场探测模块列为磁场探测模块C所在的列，当U_y1≤U_cy<0,则磁钢G处于第一纵向线性区域L_y1；当0≤U_ay<U_y2,则磁钢G处于第二纵向线性区域 L_y2；

在第一纵向线性区域L_y1或第二纵向线性区域L_y2内，根据线性关系：

L_y＝k·f(u)

其中，Ly：在Y轴方向磁钢与磁场探测模块之间的相对偏差距离；u：磁场探测模块的输出电压，在L_y1区域，u＝U_ay，在L_y2区域，u＝U_by；k：调整系数；通过标定过程获得该参数的值，通常的取值为1，上下浮动0.5。

当U_cy<U_y1和/或U_ay≥U_y2，则磁钢G处于横向非线性区域BP_Y；在横向非线性区域 BP_Y内，采用BP神经元算法求解，可得L_Y。

步骤三、选定磁钢G的磁场探测模块基准坐标(X₀,Y₀)，基准坐标与步骤二中得到的偏差值相加即得磁钢G的真实坐标O’＝(X₀+L_X，Y₀+L_Y)，输出位移值为

由于磁场探测模块A、磁场探测模块B、磁场探测模块C和磁场探测模块D的坐标是已知的，选定磁场探测模块的基准坐标为(X₀,Y₀),如果磁钢G位于线性区域内，以校准值计算中采用的磁场探测模块的坐标作为基准坐标；如果磁钢G位于非线性区域，以选定的行或列中的任一磁场探测模块的坐标为基准坐标均可；然后与步骤二中计算得到的偏差L_x和L_Y相加，即可得磁钢G此时在水平方向的实际坐标值。

G_X＝X₀+L_X；

同样的方法可以求得磁钢G在竖直方向的坐标：

G_Y＝Y₀+L_Y；

此时，磁钢G的位移为：

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，包括平面位移传感器(1)和悬设在平面位移传感器(1)下的气浮悬停机构(2)；

所述的气浮悬停机构(2)包括磁钢(22)和与磁钢(22)固定连接的气浮悬停体(21)。

2.根据权利要求1所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，所述的平面位移传感器(1)内设置有处理器模块(11)；还设置有在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块(12)。

3.根据权利要求1所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，所述的平面位移传感器(1)还包括外壳(13)，在外壳(13)的一端设置处理器模块(11)；在外壳(13)的另一端在同一平面内按矩阵形式布置的多个磁场探测模块(12)；

所述的磁场探测模块(12)有9个，按照3×3的矩阵形式布置；

所述的磁场探测模块(12)的芯片为HMC1512；每个磁场探测模块(12)分别在X轴方向和Y轴方向各设置一个HMC1512芯片；

所述的处理器模块(11)的芯片为DSP TMS320F28335。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，所述的气浮悬停体(21)至少包括位移测试台(211)，与位移测试台(211)连接的气瓶(213)，气瓶(213)下连接出气口(218)，通过出气口(218)出气的反推力实现气浮悬停体(21)的悬停。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，所述的气浮悬停体(21)包括架体，所述的架体包括在同一轴向依次设置的位移测试台(211)和气浮承载台(217)，气浮承载台(217)上设置气瓶(213)，在气浮承载台(217)下设置多个出气口(218)，所述的出气口(218)与气瓶(213)连通。

6.根据权利要求5所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，在所述的架体顶部固设支撑架，支撑架上固设磁钢(22)。

7.根据权利要求5所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，在所述的气浮悬停机构(2)下还设置试验台(6)和试验架(5)，气浮悬停体(21)的出气口(218)朝向试验台(6)的台面；

所述的试验台(6)的台面平整度要求为双零级。

8.根据权利要求1、2或3所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，还包括位移随动机构(3)，位移随动机构(3)包括横向随动轨道(31)、纵向随动轨道(32)和随动控制器(34)；

随动控制器(34)与所述的平面位移传感器(1)连接。

9.根据权利要求8所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，所述的随动控制器(34)由DSP控制完成，其CPU信号为TMS320F28335。

10.根据权利要求8所述的基于平面位移传感器的自适应跟随位移采集装置，其特征在于，还包括位移随动支架(7)，位移随动支架(7)将位移随动机构(3)支设在所述的气浮悬停机构(2)上方。