CN85101440B

CN85101440B - 具有计算机的位移测量设备

Info

Publication number: CN85101440B
Application number: CN85101440A
Authority: CN
Inventors: 李徐来
Original assignee: BEIJING CLEANING MACHINERY FACTORY
Current assignee: BEIJING CLEANING MACHINERY FACTORY
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1987-12-30
Also published as: CN85101440A

Abstract

具有计算机的位移测量设备，包括一个将位移量转换成相应频率电信号的传感器；一个门电路；一个计数器和一台计算机；传感器的输出信号送入门电路；计算机定期“打开”“关闭”门电路；计数器对门打开期间通过的信号进行计数；计算机采集、处理该数从而不使用“模－数”转换器便可以把位移量送入计算机进行处理。

Description

具有计算机的位移测量设备和方法

本发明涉及一种具有计算机的位移测量设备，更具体地说，本发明涉及一种具有计算机的，能对中小位移量进行精确、连续测量的位移测量设备。

由于计算机可以对信息进行贮存、处理、所以在位移测量领域中，计算机得到了越来越广泛的应用。当把计算机用于测量时，将位移信息送入该计算机是必需的。

有两类传统的方法可以把位移量转换成电信号。第一类是使用光栅，磁尺等具有不同物理刻线的尺子，当有位移时，检测系统可以把走过的刻线的数目变成相应数目的电脉冲。第二类方法是使用电参数随位移的改变而变化的电感器或电容器作为传感器。使用时传感器上通有固定频率的交流电，所以，对应于每个确定的位移，传感器上都有一个确定的电压值，这就是传感器的输出信号。

上面所述的第一类方法的优点是量程可以做得很大，分辨率较高，而且不会随量程的增加而下降，输出的电信号是数字量信息，可以直接送入计算机。缺点是成本高，制造困难，使用条件苛刻，安装布置困难，所以一般仅限于在量程大而且分辨率要求高的场合使用，如数控机床，坐标测量等。第二类方法的优点是制造简易，价格低廉，安装布置灵活方便。不足的是分辨率随量程的增加而降低，一般只能做到分辨率为量程的百分之几。这类方法的输出信号是模拟量，不能直接被计算机处理。这种传感器被广泛地应用于量程很小的场合或量程稍大但分辨率要求很低的场合，如电动量仪的测头、要求不高的电子秤等。如若把这类传感器输出的电信号送入计算机处理，就需要进行线性放大和“模-数”转换，而一般地说，线性放大器和“模-数”转换器是系统中两个较大的误差源和成本源，故而，迄今为止，将这类传感器输出的电信号送入计算机处理都是以牺牲一定的精度和高成本为代价的。

与上述测量设备和方法有关的现有技术文件有：

（1）US-A-3383498，（2）US-A-4455755，（3）1984年3月出版的哈尔滨工业大学强锡富主编的《电动量仪》。

测量仪器电脑化的主要问题是测量数据如何加入计算机，本发明的目的在于：为位移信息进入计算机提供一种廉价、易行的，能达到高精度的设备。

本发明另一个目的在于：提供一种改善了的，具有计算机的位移测量设备，根据该设备，可以在中、小量程的范围内不使用光栅，磁尺一类的测量手段，达到相同的精度，降低对安装环境的要求，使操作使用更加灵活便利，同时也降低了成本。

本发明的另一个目的在于：提供一种改善了的，具有计算机的位移测量设备，根据该设备，可以不使用线性放大器和“模-数”转换器而将位移量送入计算机，从而减少误差环节，提高测量精度，同时也降低了成本。

本发明的另一个目的在于：提供一种改善了的，具有计算机的位移测量设备，根据该设备，可以对随时间变化而变化的位移量进行连续的高精度测量。

本发明的另一个目的在于：提供一种改善了的，具有计算机的测量设备，使其能够更方便地应用于各种利用测量位移量而测量重量，加速度，或压力等的场合。

下面将说明本发明的内容，即本发明的构成和工作方法。

本发明是一种“门控计频”位移测量设备。从结构上讲，本发明包括：将位移量转换成频率与位移量相应的电信号的位移传感装置1;门装置2;计数装置3和计算机4;计数装置和计算机构成一个“计算机计数器系统”;位移传感器的输出信号作为门装置的输入信号;门装置的输出信号作为计数装置的输入信号;门装置的“开”、“关”状态由计算机控制;计算机计数器系统直接处理对应于一定位移的具有相应频率的电信号。

在生产和调试所述的位移测量设备时，要对该设备进行多点标定工作。在标定时，首先由位移传感装置把一系列的已知的位移量转换成一系列电信号，每个电信号的频率与每个位移量相对应，然后由计数装置对每个电信号进行计数，得到每个电信号的频率的数值，该数值被送入计算机，计算机将每个电信号的频率和它所对应的位移量形成一个表格存贮起来，以备实际测量时使用。

在执行测量工作时，首先由位移传感装置将被测对象的位移量转换成电信号，该电信号的频率随位移量变化而变化。这个电信号被送至门装置的输入端，计算机定期“打开”，“关闭”门装置，计数装置对于门“打开”期间所通过的电信号进行计数，得到一个数值，这个数值本身则包含了位移的信息，计算机通过普通的接口电路读入该包含了位移信息的数值，并根据前面所述的存贮的标定结果进行处理，从而获得了位移量数据。该位移量的结果可以在终端上显示，可以打印输出或作为其它控制工作的参量使用，也可以进行复杂的数学处理。

本发明与传统的位移测量设备比较主要有如下优点：

首先，与传统的位移测量设备相比，本发明的位移测量设备可以达到更高的测量精度，举例来说，在16毫米的量程之内，分辨率可以达到0.6微米，分辨率与量程相比，可以达到十万分之几的水平。与一般的模拟输出电感式传感系统相比，此项指标提高了上千倍。在20毫米量程范围之内，本发明可以做到比光栅系统分辨率还要高，可以取而代之。

其次，与传统的位移测量设备相比，本发明的位移测量设备的成本有很大程度的降低，这是因为本发明中的“门控计频”电路替代了传统的“电感、电容式位移传感器-计算机系统”中的线性放大器电路和“模-数”转换电路，而后面将要叙述的本发明最佳实施方案的“门控计频”电路本身的成本只是线性放大器电路和“模-数”转换电路的十分之一。

另外，与传统的位移测量设备相比，在一定的量程之内，本发明的设备兼有前面所述二类现有技术的优点。

图1是本发明的一个框图，简要地说明了本发明的构成和各部分之间的相互关系;

图2是本发明最佳实施方案的电路图;

图3是一个波形图，用来说明本发明的最佳实施方案的电路。

下面将参照图2来详细说明本发明的最佳实施方案。

图2表述了关于本发明的一具体实施例。其中电容C₁的一端与场效应晶体管T₁的栅极G端相连，另一端与电源的正极V₊相连。电容C₂的一端接在场效应晶体管T₁的漏极D端上，另一端与场效应晶体管T₁的源极S端相连，电容C₃的一端与场效应晶体管T₁的源极S端相连，另一端接场效应晶体管T₁的栅极G端。电感L₁的一端和电源的正极V₊相连。另一端则与场效应晶体管T₁的漏极D相连。电感L₂的一端和场效应晶体管T₁的源极S端相连，另一端和晶体管T₁的门极G端相连。磁棒B₁可以在电感L₁的线圈中移动，且它的一端露在线圈外面与一探头固定连接。上述元件按所述方式联接构成一位移传感装置10（图中虚线所包括的部分）。该位移传感装置10，实际上是-LC振荡装置，只是磁棒B₁可以在电感L₁的线圈中移动，从而改变了电感L₁的电感量。电感L₁的电感量的改变导致该振荡装置的振荡频率随之改变。从而使得位移传感装置10可以用一频率的变化表示出一位移的变化。输出电路15是用来对上述位移传感装置10的信号进行隔离输出的。它的输入端接在电容C₃的两端上，它的输出端的一端接地，另一端接至可控单稳态触发器20的输入端B。可控单稳态触发器20的控制端A通过线17与计算机40的输入/输出口P₁位相连，以便可以接收到从计算机40中传来的控制信号。可控单稳态触发器20可以根据计算机40的指示封锁输出电路15送来的信号，同时还兼有整形的作用。可控单稳态触发器20的输出端Q通过线28和计数器30的计数C相连。该计数器为可编程计数器。计数器30的计数值能通过数据总线34向计算机40输入，计算机40亦可通过数据总线34向计数器30发出控制字。

上述元件，按上述所说的联接方式构成一具有数据采集、处理功能的计算机位移测量装置，该装置工作如下：

测量开始时，固定在磁棒B₁一端的探头（图中没有示出），接触到被测物，而磁棒B₁的另一端扦在电感L₁的在线圈中。此时电感L₁的电感量为一定值，则位移传感装置10的振荡频率为一定值。输出电路15将这一固定频率的信号隔离输出，经线16送给可控单稳态触发器20的输入端B。最初，计算机40通过输入输出口的一位，（假设P₁位），经线17向可控单稳态触发器20的控制端C发出控制命令（如高电平），让它禁止信号通过。计算机通过数据总线把一系列控制字写入可编程计数器，把该器件置成计数状态，并使之置入一个确定的计数初值。然后，计算机40通过输入输出口P₁位，线17向可控单稳态触发器20的控制A发出控制信号（如低电平），命令它允许信号通过。则该具有一定频率的信号经可控单稳态触发器20，线28，传送到计数器30计数端C。计数器30在一预定的时间间隔t内对该信号的脉冲数目计数，t时间后，计算机40立刻通过输入输出口P₁位，经线17向可控单稳态触发器20发出控制命令（高电平）禁止信号通过。然后，计算机40通过数据总线34读出计数器34的值，然后把此读值送入内存或作其它处理。图3是上述计算机采集信号脉冲数的计数时序图。其中，1′是输入到可控单稳态能发器20的输入端B的信号的波形。2′是可控制单稳态触发器20的控制端接收到的控制信号的波形。3′是触发器20的输出端Q所输出的波形。对于一定的计数时间间隔t，不同的计数数值就反映了信号的不同频率。当探头随被测物沿电感L₁的线圈轴向移动时，由于磁棒B₁的一端，是和探头固定在一起的，则磁棒B₁的另一端就会在线圈里产生相同的位移量。由于磁棒B₁的移动，使得电感L₁的电感量的改变，则使得位移传感装置10的振荡频率改变。计算机40重复前面所述的操作，从而得到具有另一频率的信号的脉冲计数。在本实施例中，使用本装置之前，首先应对该装置进行标定。即用一些已知的位移量作为标准，测定它们在位移传感器装置10中的振荡频率的计数值，并且把这些计数值及其对应的位移量存在计算机40的存储器中，形成一个表格作为永久性资料。在本实施例中，我们用测量块规的方法，来得到已知的位移量及其所对应的频率计数值。即选定一固定标定起点，对一系列不同的块规进行测量，把块规标值和对应的频率计数值存入计算机，形成供测量及处理所需的数据表格。测量时，测头与被测点接触，频率计数值进入计算机40后，计算机40执行操作程序，将其在相邻的两标定点之间按一定数学曲线（如直线，抛物线，圆弧等）进行扦值计算，得到被测点的位移数值，由于相邻标定点间的距离很近，而在标定点上无非线性误差，所以这样处理后非线性误差被压缩到可忽略的程度。

在本实施例中，计算机40在每一短时间△t内，通过控制可控单稳态触发器20来对位移传感装置10的输出信号的频率检测一次。这样这个具有数据采集，处理动能的计算机位移测量装置便能够对被测物位移随时间的变化进行连续测量。尽管在本发明实施例中，该装置只有一个探头，但是根据本发明，该装置也可以有两个探头及其位移传感系统，这样就可以测出被测物在平面上的运动曲线。如有三个探头，那么还可以测出被测物在空间中的位移。

对于那些在本技术领域里具有一般技术水平的人，会很清楚本发明不只限于本实施例。例如在本实施例中，是通过使电感L的电感量随位移量变化而使L-C振荡器的振荡频率变化的。事实上也可以通过使电容C的电容量随位移量变化，来达到上述目的。同样，也可以用其它具有门控功能的器件来代替本实施例中的可控单稳态触发器。在本发明实施例中，计数器为可编程大规模集成电路计数器，当然也可以用那些普通计数器等器件。总之，在本发明权利要求范围之内所做的任何变更都应属于本发明。

Claims

1、具有计算机的位移测量设备，它包括至少一个将位移量转换成相应频率电信号的位移传感装置;至少一个门装置;至少一个计数装置和一个具有存贮器的计算机;其特征在于所述计算机是通过如下计频的方式与输出频率信号的电感-电容式位移传感装置接口;所述存贮器中预先存有与一系列已知位移量相对应的一系列频率数据;位移传感装置的输出信号作为门装置的输入信号;门装置的输出信号作为计数装置的输入信号;计算机定期打开、关闭门装置并由计数装置对通过门装置的信号计数;计算机读入计数装置的计数值后将该值与存贮器中预先存贮的数据进行比较处理。

2、根据权利要求1的位移测量设备，其中所述的位移传感装置包括一个“电感-电容”振荡器。

3、根据权利要求1的位移测量设备，其中所述的门装置包括一个门逻辑电路，当该电路的控制端收到一个确定电平的信号时，门处于“开”状态，当收到另一个确定电平的信号时，门处于“关”状态。

4、根据权利要求1的位移测量设备，其中所述的计数装置包括一个计数器，该计数器首先被置成一个确定的数，然后每收到一个脉冲则减一个数。