CN209689592U - 一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子测量仪器领域，具体涉及一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，包括尺杆、直线运动部件、传动部件、旋转磁体、磁场方位角度测量模块和绝对零位传感器，直线运动部件通过传动部件与旋转磁体连接，将直线运动部件的直线运动转换为旋转磁体的转动；尺杆和直线运动部件上安装有绝对零位传感器；磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器，磁感应器件固定在旋转磁体周围，测量旋转磁体转动圈数，角度编码器测量磁性旋体方位角,基于绝对零位点计算出绝对位移量。本实用新型装置对绝对零位有效信号对应位移宽度的要求大大降低，使得绝对零位的传感器的安装易于实现，降低了安装难度,降低了成本。

Description

一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置

技术领域

本实用新型涉及电子测量仪器领域，特别是一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置。

背景技术

目前，电子测量仪器领域主要采用容栅式位移测量方式实现电子测量的功能,容栅式位移测量仪器以电容为敏感元件,以电容为敏感元件,将机械位移量转换为电容量的变化，进行位移的测量。

容栅式位移测量仪器主要由一个电容定极板和一个电容动极板组成面积可变的电容传感器,定极板为两组等间隔交叉的极栅，动极板的极距相同且栅宽相同，动极板相对于定极板移动时，机械位移量转变为电容值的变化，通过电路转化得到电信号的相应变化量。容栅式位移测量仪器的优点在于量程大、分辨率高、能耗极小，广泛应用于测量领域。

但是，由于采用电容极板作为测量部件，使得容栅式位移测量仪器受外界环境影响比较大，比如：在潮湿的环境和电磁干扰较大的环境中，电容值会有偏移，使得测量结果不准确，特别是电容定极板分布于卡尺上，当卡尺上有油污和粉尘等异物时，也会影响测量的准确性。

考虑到现有技术的缺点，提出了专利《一种基于旋转磁场位移测量的方法》 (申请号为2018109171827)和专利《一种基于旋转磁场位移测量的装置》(申请号为2018212981793)，将位移量转换为旋转磁体的转动，通过测量旋转磁体的转动圈数和角度，测量出位移量。在测量绝对位移时如果位移量超过旋转磁体转动一圈对应的位移量，就需要绝对零位点作为测量基准，现有的绝对零位设置需要进一步改进，以适应基于旋转磁场位移测量的方法。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对旋转磁场位移测量的方法，对现有的绝对零位设置进行了改进，提供一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，包括尺杆、直线运动部件、传动部件、旋转磁体和绝对零位传感器，

直线运动部件通过传动部件将直线运动部件相对于尺杆的直线运动转换为旋转磁体的转动；

绝对零位传感器由信号接收端和信号发送端两部分组成，信号接收端安装在直线运动部件上，信号发送端安装在尺杆上，在直线运动部件移动过程中，信号接收端接收到信号发送端发出的信号时，直线运动部件位于绝对零位点；

直线运动部件上安装有磁场方位角度测量模块，磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器，磁感应器件固定在旋转磁体周围，角度编码器测量旋转磁体方位角,磁感应器件输出脉冲信号用于测量旋转磁体旋转方向及旋转圈数，根据旋转磁体方位角及转动圈数结合绝对零位点计算出绝对位移量。

绝对零位传感器在直线运动方向上的有效作用距离小于等于旋转磁体转动一周对应直线运动部件直线运动的位移量。

传动部件具体传动方式包括啮合传动、摩擦传动、带传动。

啮合传动是指，直线运动部件上设有齿条，传动部件设有齿轮，直线运动部件和传动部件通过齿条和齿轮实现传动。

绝对零位传感器信号发送端为磁性材料，绝对零位传感器信号接收端为能检测到磁场强度的部件。

绝对零位传感器信号发送端为红外线发射器，绝对零位传感器信号接收端为红外线接收器。

综上，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型装置对绝对零位有效信号对应位移宽度的要求大大降低，只要绝对零位传感器在直线运动方向上的有效作用距离小于旋转磁体转动一圈对应直线运动位移量即可，使得绝对零位的传感器的安装易于实现，降低了安装难度,降低了成本。

附图说明

图1为本实施例1高度测量仪的结构示意图；

图2为本实施例1高度测量仪直线运动部件结构示意图；

图3为本实施例1磁体磁场分布示意图；

图4为本实施例2卡尺的结构示意图；

图5为本实施例2卡尺直线运动部件结构示意图；

图6为本实施例3千分表的结构示意图。

图中标记：101-齿条，102-尺杆，1021-尺身，103-直线运动部件，1031- 尺杆孔，1032-尺框，1033-防护罩，1034-尺身孔，1041-绝对零位传感器发送端，1042-绝对零位传感器接收端，105-基座，106-齿轮，107-显示器，108-电路板，109-旋转磁体，110-塑料罩壳。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种基于角度编码器的长位移绝对测量的高度测量仪如图1所示，由基座 105、尺杆102、直线运动部件103、绝对零位传感器组成，尺杆102上有齿条 101。直线运动部件包括了显示器107、电路板108、旋转磁体109、防护罩1033、绝对零位传感器接收端1042、塑料罩壳110、尺框1032、齿轮106和尺杆孔1031，如图2所示。绝对零位传感器由绝对零位传感器发送端1041和绝对零位传感器接收端1042两部分组成，其中绝对零位传感器发送端1041固定在尺杆102上，绝对零位传感器接收端1042固定在电路板108上，绝对零位传感器发送端1041 和绝对零位传感器接收端1042在绝对零位点对接，完成信号传输。

电路板108上安装有磁场方位角度测量模块，磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器。

防护罩1033将旋转磁体隔离，以避免外部磁场的干扰，引起旋转磁场的方位角度测量不准确。

尺杆102垂直于基座105，尺杆102穿过直线运动部件103上的尺杆孔1031，直线运动部件103相对于尺杆102向上或向下直线运动，尺杆102上的齿条101 与直线运动部件103上的齿轮啮合，形成传动装置，直线运动部件103上的齿轮106在齿条101的带动下旋转，将直线运动部件103的直线运动转换为齿轮 106的旋转，齿轮106旋转带动旋转磁体109转动，由此，将直线运动部件103 的直线运动转换为旋转磁体109的转动，旋转磁体109转动一圈对应直线运动部件103直线运动位移量为L_C，决定于传动装置的传动比。通过计算旋转磁体109方位角的变化，即可计算出直线运动部件103直线运动位移量。

当直线运动位移量超过L_C时，在测量旋转磁体109方位角θ的同时还需要记录旋转磁体109转动的圈数n。位移量＝L_C*n+L_C*θ/360。在该情况下，要得到绝对位移需要绝对零位传感器。

以绝对零位传感器发送端1041为磁体，绝对零位传感器接收端1042为磁场检测装置为例，说明绝对零位传感器的工作原理。绝对零位传感器发送端1041 为磁体，其磁场分布如图3所示。当直线运动部件103沿着尺杆102滑动时，绝对零位传感器接收端1042也随着直线运动部件103移动，靠近绝对零位传感器发送端1041的磁场。随着绝对零位传感器接收端1042与绝对零位传感器发送端1041越来越接近，绝对零位传感器接收端1042接收到N极(或S极)的磁场越来越强；绝对零位传感器接收端1042与绝对零位传感器发送端1041最接近的时候，存在空间的一个点O，N极(或S极)磁场强度最强，随着绝对零位传感器接收端1042与绝对零位传感器发送端1041离得越来越远，绝对零位传感器接收端1042接收到N极(或S极)的磁场强度从最强越来越弱。设定一个阈值，当磁场强度大于该阈值时绝对零位信号有效,绝对零位信号有效的点为绝对零位点，改变该阈值可以调节绝对零位信号在直线运动方向上的有效作用距离。通过阈值调节只需要绝对零位传感器在直线运动方向上的有效作用距离小于L_C即可，降低了绝对零位传感器安装调试技术难度。本实施例中的有效作用距离是指绝对零位传感器发送端磁体在直线运动方向上的长度。

当直线运动部件103沿着尺杆102滑动到绝对零位传感器接收端1042检测到超过设定阈值磁场强度后，即认定达到绝对零位点，直线运动部件103立即完成初始化，初始检测值设置为绝对零位点与尺杆102零刻度值之间的相对高度。

根据待测物体的高度，将直线运动部件103相对于绝对零位传感器的高度向上或向下滑动，旋转磁体109随着滑动而顺时针或逆时针转动，通过磁感应器件和磁场变化测量单元，可计算出旋转磁体109旋转的圈数和角度，通过公式(1)即可计算出直线运动部件103相对于绝对零位点直线运动的距离。

其中，L是直线运动部件103相对于绝对零位点移动的距离,L_C是旋转磁体109转动一圈对应直线运动部件103直线运动位移量，K是旋转磁体109旋转的圈数，θ是旋转磁体109旋转的角度。

待测物体的高度，也即是绝对位移量，计算公式如公式(2)所示：

H＝L₀+L (2)

其中，H为绝对位移量，L₀是绝对零位点与尺杆102零刻度值之间的相对高度，L是直线运动部件103相对于绝对零位传感器位置移动的距离(L相对于绝对零位点向下移动去负值，向上运动取正值)。

作为优选方案，位移测量精度可调，如果旋转磁体109方位角测量精度为Δθ，则位移测量精度为L_C*Δθ/360，减小L_C可以提高位移测量精度。

实施例2

一种基于角度编码器的长位移绝对测量的卡尺如图4所示，包括尺身1021、直线运动部件103、绝对零位传感器发送端1041，尺身1021内侧设有齿条101。直线运动部件103包括了显示器107、塑料罩壳110、尺身孔1034、齿轮106、旋转磁体109、电路板108、防护罩1033和尺框1032，如图5所示。绝对零位传感器由绝对零位传感器发送端1041和绝对零位传感器接收端1042两部分组成，其中绝对零位传感器发送端1041固定在尺身1021上，绝对零位传感器接收端1042固定在电路板108上，绝对零位传感器发送端1041和绝对零位传感器接收端1042在绝对零位点对接，完成信号传输。

电路板108上安装有磁场方位角度测量模块，磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器。

与实施例1的区别在于，尺身1021通过尺身孔1034穿过直线运动部件103，尺身1021内侧设有齿条101，直线运动部件103上有齿轮106，通过齿条101 和齿轮106的啮合，形成传动装置，尺身1021和直线运动部件103可以实现直线相对运动。尺身1021上内嵌了绝对零位传感器发送端1041，绝对零位传感器接收端1042安在直线运动部件103装上，绝对零位传感器为红外线传感器，绝对零位传感器红外线信号所在的点，被认定为绝对零位点，当直线运动部件103 经过绝对零位传感器发送端1041时，直线运动部件103中的绝对零位传感器接收端1042检测到发送端的红外线信号，立即完成初始化，将磁场变化测量器中的初始检测值设置为绝对零位点与尺身0刻度值之间的相对高度。

测量的方法与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

一种基于角度编码器的长位移绝对测量的千分表(或百分表)如图6所示，包括尺杆102和直线运动部件103，其中尺杆102上有齿条101，直线运动部件 103上有齿轮106、旋转磁体109、电路板108和显示器107。电路板108上安装有磁场方位角度测量模块，磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器。绝对零位传感器由绝对零位传感器发送端1041和绝对零位传感器接收端 1042两部分组成，其中绝对零位传感器发送端1041固定在尺杆102上，绝对零位传感器接收端1042固定在电路板108上，绝对零位传感器发送端1041和绝对零位传感器接收端1042在绝对零位点对接，完成信号传输。

与实施例1的区别在于，千分表(或百分表)的传动比小，旋转磁体109 转动一圈对应直线运动部件103直线运动位移量较小，位移测量精度提高。

其他部分与实施例1相同，此处不再赘述。

以上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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，包括尺杆、直线运动部件、传动部件、旋转磁体、磁场方位角度测量模块和绝对零位传感器，

直线运动部件通过传动部件将直线运动部件相对于尺杆的直线运动转换为旋转磁体的转动；

所述绝对零位传感器由信号接收端和信号发送端两部分组成，所述信号接收端安装在所述直线运动部件上，所述信号发送端安装在所述尺杆上，在所述直线运动部件移动过程中，所述信号接收端接收到所述信号发送端发出的信号时，所述直线运动部件位于绝对零位点；

所述直线运动部件上安装有磁场方位角度测量模块，所述磁场方位角度测量模块包括磁感应器件和角度编码器，所述磁感应器件固定在所述旋转磁体周围，所述角度编码器测量所述旋转磁体方位角,所述磁感应器件输出脉冲信号用于测量旋转磁体旋转方向及旋转圈数，根据所述旋转磁体方位角及转动圈数结合所述绝对零位点计算出绝对位移量。

2.如权利要求1所述的一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，所述绝对零位传感器在直线运动方向上的有效作用距离小于等于所述旋转磁体转动一周对应直线运动部件直线运动的位移量。

3.如权利要求1所述的一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，所述传动部件具体传动方式包括啮合传动、摩擦传动、带传动。

4.如权利要求3所述的一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，啮合传动是指，所述直线运动部件上设有齿条，所述传动部件设有齿轮，所述直线运动部件和所述传动部件通过齿条和齿轮实现传动。

5.如权利要求1-4任一所述的一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，所述绝对零位传感器信号发送端为磁性材料，所述绝对零位传感器信号接收端为能检测到磁场强度的部件。

6.如权利要求1-4任一所述的一种基于绝对角度编码器的长位移绝对测量的装置，其特征在于，所述绝对零位传感器信号发送端为红外线发射器，所述绝对零位传感器信号接收端为红外线接收器。