专利名称：闭环测量球感应尺的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数字长度测量技术，是一种用于伸缩臂的自动控制测量的球感应尺。
球感应尺是一种多级电磁感应式传感元件，由于多级结构的电磁平均作用，所以输出元件精度较高，而安装精度相对较低，调整方便，运行可靠。
在伸缩臂的自动控制测量过程中，普遍采用球感应尺进行伸缩臂长度确定。球感应尺测量系统如
图1所示，由机械头与主板组成。机械头主要有标尺与读数头两主要部分组成，除此两部分还需要其它附件才能构成完整的测量系统，方可安装到机器上，这些附件包括标尺支架和保护装置等。标尺由一根精密不锈钢筒和内部封装直径为1/2英寸的镍铬钢球组成，这些球经过认真分等，以确保钢球磁特性与尺寸的一致性。读数头是矩形铝盒，内含由一刚度大的材料做骨架，表面缠上铜线，加工成多级绕组，可在标尺上滑动。还有滑擦器保持密封以防止液体，铁屑和灰尘进入。在测头内平均分布四个读数头，分别读取四路相差90度的信号。当测头绕组内通以正弦电流时，随着定尺相对于测头运动，其读数头读取呈正弦规律变化的电势信号。
现在使用的球感应尺是以单相激磁双相输出倍角检相方式工作，其原理框图见图2所示。由振荡器产生振荡的信号，经过系统时钟信号发生器，调整振荡信号。调整的信号在激磁信号发生器中变为测量用的激磁信号。由于该激磁信号满足不了测量要求，因此，再经信号放大器将激磁信号放大。激磁信号输入到多级绕组，测量过程中由读数头读取信号，读数头读取后在头部输出四路信号合并成一路HV信号，再经过一系列的电路处理。由于采用开环方式处理，现有的球感应尺在测量中存在较高的动态测量误差，并且不能进行动态测量，限制其应用在自动控制闭环方式测量中。
本实用新型工作于闭环，采用了单相激磁，双相输出的跟踪鉴幅测量方式，目的是提供一种转换精度高，抗环境干扰能力强，同时在动态测量下具有很大的测量转换速度的闭环测量球感应尺，并提供速度信号且针对单相激磁存在的动态误差，该方式有很好的抑制作用。
本实用新型由机械头和主板构成。机械头中包含有标尺、感应线圈、读数头、激磁线圈、钢筒、钢球和放大器等。主板的构成如图3所示，由激磁信号器，前置放大器，S/D转换器，单片机和I/O接口等组成。
本实用新型的激磁信号器产生一相激磁信号，一相激磁信号由读数头读取。四个读数头0°～180°和90°～270°进行两相读取输出，表达式为us＝ku·umsinθcosωt，uc＝ku.Uacosθsinωt式中，ku为电压传递系数，ua为定子绕组感应电势最大值，θ为相对于零位的转角(电角度)，ω为激磁电源角频率。
上述两相输出的信号振幅在mv量级，在进行S/D转换过程中，需要将信号放大至三个数量级，达到V量级。因此，本实用新型在S/D转换前，利用前置放大器将两相信号us和uc进入放大处理。经过前置放大器处理的信号，由下式表示usi＝kv·ku·um·cosωt，uci＝kv·ku·um·cosωt·cosθ，式中kv为放大倍数。
本实用新型的S/D转换器由高速正余弦乘法器，误差放大器，高频滤波器，相敏解调器，压控振荡器(VCO)，可逆计数器，锁存器和D/A数字接口等组成。经过前置放大器处理的usi和uci输入高速正余弦乘法器中，从高速正余弦乘法器中经过信号相乘以后，进入误差放大器中，得到输入值与输出值之间一个误差函数，再依次通过高频滤波器和相敏解调器，送入压控振荡器，然后到达可逆计数器。在可逆计数器中信号一部分返回到高速正余弦乘法器，形成闭环。另一部分输送到锁存器。在锁存器中分两部分输出，一部分输送到单片机进行长度数字输出，另一部分通过D/A接口后进行速度模拟输出。
在经过高速正余弦乘法器时，该乘法器将输出信号usi和uci与测量系统输出值 对应正余弦信号进行相乘，即长度L对应的正余弦信号相乘，得到如下信号ua=usicosφ=kvkuua·cosωt·sinθcosφ--,]]>ub=ucisinφ=kvkuum·cosωt·sinθsinφ--.]]>将ua，ub送入误差放大器中，可得到输入值与输出值之间的误差函数，针对单相激磁存在的动态误差，利用该误差函数反馈有很好的抑制作用ue＝ke(ua-ub)＝kekvkusinωt·sin(θ-φ)＝ksinωtsin(θ-φ)式中k为kekvkuum的乘积，ke为误差放大器的放大系数将ue送入高频滤波相敏解调环节后，得到与 成正比的误差信号Δθ，将相敏解调后的误差信号进行处理后，送入压控振荡器(VCO)，压控振荡器的输出脉冲加入可逆计数器中，在可逆计数器的输出端得到反映球感应尺长度大小的输出长度信号L。
下面根据本实用新型用于装填运输车上伸缩臂位移传感器的闭环控制上，进一步详述本实用新型。
球感应尺的激磁信号的优劣直接影响到其输出信号的性能，进而进一步影响到测量系统，测量精度。若激磁电压存在失真情况下，某谐波电压分成对基波电压成分的比值经过球尺，其输出电压中将于谐波次数成正比增大，即输出电压失真度将大于激磁电压失真度，因而激磁信号必须保证较低失真度。本实用新型要求该信号频率为2KHz——5KHz之间，幅度为2V-5V之间的正弦波。在该实施例中激励信号产生有以下两部分组成低失真度信号产生和低失真度功效的设计。
对于低失真度信号一般利用高精度RC网络振荡产生一个失真度很低的正余弦信号，再利用低失真放大器输出。但由于频率值由分立元件决定，稳定性差，若要求稳定性高，一般选用晶振分频滤波方法形成正弦波，由于这种方式产生的波形中存在较大比例谐波分量，因而失真度要求很低时，需要多级滤波来消除，这容易影响输出正弦幅值稳定性。综合考虑选用ICL8038单片精密函数发生器来产生正弦波，再经一级低失真度放大器放大输出。整个电路如图5所示，为激磁信号产生电路。由该发生器产生的正弦波幅值为0.5V～0.8V。
获得低失真度信号后，要考虑低失真度功效设计。
因球感应尺输入电阻仅为7.2Ω，因此当输入电压幅值为4V时，有近0.6A电流，必须经功率放大，一般功放后，信号有可能失真。因此选用视频功率放大器LM380放大器，如图6所示。图6表示为激磁信号功率放大器结构图。经功率放大后，激磁信号增大了4倍～6倍。
因为从读数头读取的信号为毫伏量级，因此对前置放大器要求苛刻，必须能放大弱信号，同时具有很强的抗电磁干扰能力。图7是本实用新型前置放大器结构示意图。
本实用新型的S/D转换器是测量系统电路中关键的部分，其转换精度，转换速度直接影响到测量系统动、静态特性，可以用AD公司的AD2S84转换芯片，采用S/D转换原理，如图8所示。
在本实用新型中，由于A/D采用跟踪鉴幅式测量方式，是一种增量计数方式，即电角度0°～360°，芯片完成一次转换，标尺相对于读数头过一球，即1/2英寸，利用A/D数字信号接口方向信号，周期性时钟输出，输入到单片机系统进行计数，校正，接口。如图9所示，单片机完成长度数字输出和速度模拟输出。本实用新型的优点是动态特性好，对上述实施例进行如下分析。本系统指标要求量大输入速度1000mm/s2，加速度常数KA＝6·f2BW＝6.5202＝7.6×106，所以其输出测量滞后误差(最大)Δφ=1000×1031.6×106=0.625μm]]>
其阶跃响应特性如图10，图中纵坐标表示输出长度值，横坐标表示时间。
它是一条具有一次超调的临阶阻尼响应曲线，tr为上升时间，其长短取决于转换器最大跟踪速率，tD为超调时间。阶跃响应为ts为tr与tD之和，它表示刚施加以后，转换器能够得出精确读数所需时间。Tr=1fBW---ts=5fBW·R12(8)]]>式中R为转换值，本系统R＝12则tr约为1.9ms，ts约为9.6ms综上所述，本发明所采用的方法改变了以往球尺动态测量误差大，无法动态使用的问题。
权利要求1.一种闭环测量球感应尺，由机械头和主板两部分组成，机械头包含有标尺、感应线圈、读数头、激磁线圈、钢筒、钢球等，其特征是在机械头上还放置有放大器，该放大器将读数头读取的信号进行放大，四个读数头将一相激磁信在0°～180°和90°～270°进行两相输出，主板包括激磁信号器、前置放大器、S/D转换器、单片机和I/O接口，前置放大器放大后的信号输入到S/D转换器中进行处理，之后进入单片机和I/O接口；所述的S/D转换器包括有高速正余弦乘法器、误差放大器、高频滤波器、相敏解调器、压控振荡器、可逆计数器、锁存器和D/A数字接口，由前置放大器处理的两相信号，先输入高速正余弦乘法器，信号相乘后经误差放大器变为误差函数信号，再依次通过高频滤波器、相敏解调器、压控振荡器，最后到达可逆计数器，在可逆计数器中一路返回高速正余弦乘法器，另一路输送到锁存器，进入锁存器的信号一路直接进入单片机进行长度数字输出，另一路通过D/A数字接口进入单片机进行速度模拟输出。
2.根据权利要求1所述的闭环测量球感应尺，其特征是S/D转换器选用AD2S84转换芯片。
3.根据权利要求1所述的闭环测量球感应尺，其特征是激磁信号器包括激磁信号产生器和激磁信号功率放大器，激磁信号产生器信号输出频率为2KHz～5KHz，幅度为2V～5V。
4.根据权利要求3所述的闭环测量球感应尺，其特征是激磁信号产生器选用ICL8038单片精密函发生器，激磁信号功率放大器选用LM380放大器。
专利摘要本实用新型属于数字长度测量技术,是一种用于伸缩臂的自动控制测量的球感应尺,主要由机械头和主板构成。机械头中四个读数头把一相激磁信号进行两相输出。两相信号经过主板中的前置放大器,S/D转换器,单片机等处理,输出长度数字信号和速度模拟信号。本实用新型在闭环情形下工作,采用单相激磁,双相输出的跟踪鉴幅方法。因此,转换精度高,抗干扰能力强,同时在动态测量下具有很大的测量转换速度。
文档编号G01B7/02GK2489302SQ0026476
公开日2002年5月1日 申请日期2000年12月14日 优先权日2000年12月14日
发明者刘杰 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所