专利名称：用于开关式数字位移传感器的计数器式栅格带的制作方法
技术领域：
用于开关式数字位移传感器的计数器式栅格带属于量测物体位移或应变的传感装置设计
背景技术：
目前，已有很多测量位移和应变的传感装置。这些位移传感装置可分为模拟式和数字式，主要有电位器、电阻应变式、电容式、电感式、涡流式、光电式以及光栅式、感应同步器式和磁栅式等。这些传感装置技术都比较成熟，在适宜的工作环境下，其产品能满足测试要求。但在土木工程等许多涉及现场量测和环境条件复杂的实验室量测中，位移传感器的工作条件往往比较恶劣。温度、湿度、压力等外部条件的剧烈变化以及电磁干扰甚至断电等对位移传感装置的工作稳定性提出了更高的要求。在科研和工程实践的许多位移量测工作中，目前还难以获得量测工作稳定性较高的位移传感器，甚至还可能无法得到测量数据。这主要是因为目前传感器的抗干扰能力难以满足这些测量环境的要求。例如，电位计、电阻应变式等对温度、湿度比较敏感，电容式、电感式、磁栅式等电磁测量原理的传感器一般屏蔽要求较高，这些局限性都会降低位移量测的可靠性。
本申请人曾于2005年6月17日申请了发明专利“开关式数字位移传感器”，申请号200510011955.8，于2005年7月15日申请了发明专利“使用位移放大的开关式数字位移传感器”，申请号200510012185.9。在上述两项专利申请中，披露了几种开关式数字位移传感器。如图1所示，在长条形不导电母板上镀上栅格B和电极C，阴影部分代表导电体，非阴影部分不导电。栅格带B随同母板固定在产生相对位移的一个物体上，每个栅格的宽度相等，间距也相等，且栅格宽度与间距等值，C为整条导电电极，位于栅格带B的一侧，与高电平(或者低电平)相接，但与栅格不接触。D为金属滑片，其宽度为B排栅格的两倍，它与B栅格和C电极良好接触。B排栅格分别通过导线经过必要处理后连接低电平(或者高电平)，这样由导电电极C和B排上的各栅格、直流电源构成了许多回路，每一个回路在栅格与导电电极C之间的间隙处断开。在初始状态位移为零时，滑片D左侧与右边第一个栅格的左侧靠齐。检测位移时，滑片D随着物体的移动而移动，当覆盖在某一个栅格上时，该栅格的回路导通，回路中产生电信号，在回路中接上输出端子G，将信号输出到数据处理电路中处理，可得知滑片D在母板上的位置，滑片D滑过的距离即为物体产生的位移。
B栅格的宽度和间距可以随实际需要而适当调整，调整时最好保证每个栅格的宽度相等，间距也相等，且栅格宽度与间距等值。
无论任何时候，滑片D都要能够与B栅格接触上。如果滑片D的宽度小于B栅格的间距时，就会出现D滑片能够处在B栅格的间隔中而不碰上任何导电栅格的情况，这时就不能判断滑片D究竟处于栅格带B上的什么位置，从而可能导致位移测量结果失败或者出现误差。所以D滑片宽度最好大于B栅格的间距以避免出现滑片D碰不上任何栅格的情况。而当D滑片宽度大于B栅格的间距时，则会出现D滑片同时碰上两个以上B栅格的情况，这时就可以联合这两个(或几个)B栅格而确定D滑片的位置。但是为了传感器位移判断处理上的便利，将D滑片与栅格的接触宽度做成B栅格间距(B栅格等宽等间距)的两倍最为方便。因为在B栅格等间距等宽度的条件下，D滑片宽度等于B栅格间距两倍时，D滑片同时碰上两个栅格(代表了D滑片处于这两个栅格之间的空位的位置)的概率和D滑片只碰上一个栅格(代表了D滑片处于这个栅格的位置)的概率是相等的，那么B栅格这个“刻度尺”的刻度就是线性的，均匀的，这就十分方便。而如果D滑片的宽度大子B栅格间距但是不等于其间距的二倍，那么B栅格这个“刻度尺”由D来“读”时其“刻度”就不一定是线性的，均匀的，虽然采用数据处理等方法仍有可能识别，但是不太方便，所以不可取。
图1中栅格带B上方的栅格带A是另一条代表大刻度的栅格带。量程较大时，显然B栅格上的栅格数量也应该比较大，按上述基本原理的接线和信号处理都比较复杂，因此提出了在格栅带B的基础上增加格栅带A而代表大刻度。如图，在原有栅格带B的基础上，在长条形不导电母板上再增加一排导电体栅格A，栅格A位于导电电极C的另一侧，每一栅格也串接在回路中，栅格间每隔一定距离断开，分缝的中心距应为B栅格上栅格宽度的偶数倍。
栅格带B由若干个结构相同的单元组成，图1中给出了第①、②个单元和第③个单元的一部分，本例子中栅格B的每个单元由5个栅格组成。栅格A的分缝间的距离应为B栅格带一个单元的宽度。当滑片D在栅格带B上滑动时，可以判断滑片D在B栅格带的每个单元中位于该单元的第几个栅格上；同时，滑片D也在栅格A上滑动，结合滑片D在栅格A上的位置判别此时滑片D位于栅格带B的第几个单元上。因此，通过滑片D的信号可以判断滑片D位于栅格带B的第几个单元以及该单元上的第几个栅格上，从而确定滑片D的位置。
也就是说，将滑片的位置判断分为两部分，一部分表示滑片位置的相对大数(代表滑片位于哪个单元)，另一部分表示滑片位置的相对小数(滑片位于特定单元上的第几个栅格)。传感装置分别判断滑片位置的相对大数和相对小数，合在一起就可确定滑片的位置。(这实际上是将位置编码的一种方式，滑片位置的信息确定由不同的编码组合确定)然后，根据滑片的位置，用数据处理系统和数字仪表显示出物体的位移。
而A排栅格的宽度只需保证等于B排栅格的一个单元的总宽度即可。A栅格中各栅格间的接缝比较窄，应该小于滑片D的宽度，这是为了保证滑片D在滑过两块相邻A栅格时，能够同时接触上相邻的这两块A栅格，而不会出现滑片D落在相邻的两个A栅格之间却不碰上任何A栅格的情况。当滑片D同时接触上相邻的两块A栅格时，根据栅格B上的位置信息利用单片机根据已知的判断规则来判断此时滑片D在位置的逻辑意义上是处于两块A栅格中的哪一块上，进而即可判断出滑片D在整条栅格带上的位置。
图2所示是以激光发射器作为开关元件的位移传感器，与图1的不同点在于，栅格带B上的栅格是特殊的光电材料(这种光电材料光照时电阻很小，无光照时电阻很大，因此光照时是相对导通状态，无光照时是相对绝缘状态)，在栅格两端均连接普通导电材料块C和S，并通过导电块串接在回路中，激光扫描到的栅格导电，回路导通。图2中栅格带A是表示大刻度的栅格带，其长度为栅格带B上栅格宽度的偶数倍(等于栅格带B单元的宽度)。
图3是200510012185.9专利申请中的采用位移放大的开关式数字位移传感器的方案图，其中采用了齿轮放大的方式将位移先进行放大后再测量，其栅格带R为环形，上面分布有光电材料的栅格，R环绕着轴X分布，轴X上装有激光发射器。U为刻有条纹的导条，当U移动时，带动由齿轮放大系统中的齿轮W，轴V，轴X旋转，使得激光T在栅格带R上扫描。信号处理原理与触片式的一致，栅格带R的栅格的分布方式与200510011955.8专利申请中的方案是一致的。
上述方案中，每一个栅格都必须连接一根导线，并输入到单片机等信号处理电路进行处理，当栅格过多时会造成连线复杂的缺点，增加了制作的复杂性，也可能使测量的精度受影响。
发明内容
本发明的目的在于，克服了上述几种开关式数字位移传感器所存在的接线复杂的缺陷，对栅格带的排列方式进行了设计，提出了一种计数器式栅格带，使得传感器的连线减少，制作工艺简单化，精度得到了提高。
本发明的特征在于，栅格带R上的栅格划分为多个单元，每个单元包括N个栅格，N大于等于3，每一个单元的栅格从同一方向按照同样的顺序依次编号，所有编号相同的栅格通过导电块S连接同一根导线，并输入信号处理电路。
其特征在于，还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与上述栅格带R平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带R所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带R上每一个单元的宽度。
另一种计数器式数字位移传感器，其特征在于，含有N条栅格带，N大于等于3，每条栅格带的两侧分别连接两条导电电极，其中一条连接高/或低电平，另一条输入信号处理电路；所述N条栅格带平行分布，构成栅格带组，该栅格带组沿长度方向划分为多个栅格分布状况一致的单元，每一个单元均包括N个栅格，这N个栅格均与分布在N条栅格带上，且沿栅格带组的长度方向等距分布。
其特征在于，还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与上述栅格带组平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带组所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带组上每一个单元的宽度。
还有一种计数器式数字位移传感器，其特征在于，含有N条栅格带，N大于等于3，每条栅格带的两侧分别连接两条导电电极，其中一条连接高/或低电平，另一条输入信号处理电路；所述N条栅格带平行分布，构成栅格带组，该栅格带组沿长度方向划分为多个栅格分布状况一致的单元，这些栅格沿栅格带组的长度方向等距分布；每一个单元中，栅格带组的不同位置处的栅格导电后输入信号处理电路的信号组成不同的编码；还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与所述栅格带组平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带组的每一个单元的宽度。
实验证明，本发明能够减少开关式数字位移传感器的栅格的连线，降低了制作的复杂性，提高了制作和测量的精度，达到了预期的目的。
图1是专利申请200510011955.8中的触片式的开关式数字位移传感器示意图；图2是专利申请200510011955.8中的激光式的开关式数字位移传感器示意图；图3是专利申请200510012185.9中的位移放大式的开关式数字位移传感器示意图；图4是本发明的计数器式的栅格接线示意图；图5是分层的计数器式的栅格分布示意图；图6是增加了大刻度栅格带的计数器式栅格分布示意图；图7是分层并增加大刻度栅格带的计数器式的栅格分布示意图；图8是采用不同编码的栅格带示意图。
具体实施例方式本发明仅仅对栅格的分布和接线方式做了改进，对于触片式和激光式的开关式数字位移传感器，以及采用位移放大式的传感器来说，其它方面的设计与背景技术中提及的方案是一样的，这里仅对栅格带的分布状况作详细介绍。
以激光式数字位移传感器的为例，如图4所示R是光电材料栅格条带(其中浅色阴影部分为光电材料)，等宽等间距，宽度和间距也相等，编号为1，2，3三种；Q是与R相连的普通导电材料导电电极Q，并与高电平(或低电平)相连；S为导电块，所有的S块也被编号为1，2，3三种，并与栅格R的编号一一对应。每个S块上都有一根引出线，引出线的编号为1，2或3。整个栅格带上所有编号相同的引出线是连接在一起的，即所有编号为1的引出线连接在一起，所有编号为2的引出线也连接在一起，所有编号为3的引出线也连接在一起(图中未画出来)。这3组引线统称为C，分别与单片机的3个引脚连接。T为光束。
由于光电效应，光束T照射到的R栅格块将产生电流，其所在电路呈导电状态，则相应的单片机引脚将得到高电平(或者低电平)信号；而未被照射到的R栅格块不产生电流(或电流相对很小)，其所在电路呈相对绝缘状态，则相应的单片机引脚将得到低电平(或者高电平)信号。则当光束T在光电材料栅格条带R上扫描时，单片机的三个信号输入引脚将接受到高低电平交替出现的信号序列。若Q连接高电平，则当光束T在栅格条带R上向左手方向扫描时，栅格带将产生高低电平的信号序列，其中依次产生高电平的R栅格块的编号的循环序列如下 而当光束T向右手方向扫描时，其中依次产生高电平的R栅格块的编号的循环序列如下 这种电平信号的循环序列可以方便地用单片机识别。由于光束向左和向右移动时，电平信号的循环序列是不同的，所以可以根据电平信号序列的排布分辨出光束的移动方向。例如若现在是编号为2的R栅格块被光束照射，那么该光电栅格块将呈导电状态，则其引出线就是高电平的(假设Q连接高电平)，即高电平状态的R栅格块的编号为2。由图1可见，光束移动时，下一个被照射的R栅格块将是“3”或者“1”，若光束宽度为栅格宽度的两倍，紧接着将会是“2和3”或者“2和1”同时被照射到的状态，即紧接着下一个呈现高电平状态的R栅格块就是“2和3”或者“2和1”。如光束向左手方向移动，下一个紧接着出现的高电平的栅格块为“2和3”；反之，如光束向右手方向移动，下一个紧接着出现的高电平的栅格块为就为“2和1”。采用寄存器等储存记忆历史上的电平信号的序列和位移量。那么，当光束T在光电栅格R扫描时，单片机根据寄存器里记忆的历史信号，对比当前的信号，根据既定规律即可判断光束扫描的方向。如果以向左手为位移的正方向，那么当光束T在R栅格条带上扫描时，光束T的位置每移动一个R栅格块的宽度，电平信号就发生突变，这时单片机首先判断光束T的移动方向若对比历史的电平信号，单片机判断光束T是向左移动了一格的，就在上一个位移量上加上一个R栅格的宽度，反之，减去一个R栅格的宽度，从而得到新的位移量。然后将这个新的位移量，及其当前的电平信号储存记忆起来以供确定下一个位移增量(可正可负)时使用。
如果T光束的宽度不是R栅格宽度的两倍，进行位移判断时根据以上方法相应进行改动即可。例如T光束宽度小于R栅格宽度时，则当光束T在栅格条带R上向左手方向扫描时，栅格带将产生高低电平的信号序列，其中依次产生高电平的R栅格块的编号的循环序列如下……1→空→2→空→3→空→1→空……同理采用单片机可以识别这个信号，最终达到位移判断的目的。但是上述信号的1，2，3高电平信号和空(即1，2，3都低电平)信号的长度是不一样的，即如果T是匀速扫过，则1，2，3高电平信号和空(即1，2，3都低电平)信号的时间长度是不一样的，这是不合理的。如果光束T的宽度不是R栅格宽度的两倍时，基本上都会存在以上问题。所以确定了光束T的宽度以后，各个信号的长度关系就确定了，采用单片机可以进行时间长度补偿，即使得当光束T匀速扫过时，对应的几何长度相等的信号具有相等的时间长度。这是很容易实现的。所以实际上光束T的宽度是没有限制的，可以比R栅格的宽度小，也可以是R栅格宽度的好几倍，但光束T宽度为R栅格宽度的两倍时比较方便。其实关键是光束T的光束宽度必须是精确的，这直接影响到最终位移判断的精度。
上述原理实际上是一种计数器原理通过判断光束T移动的方向确定计数时的加减关系，即增量的正负号，将增量与原数相加即得到最新值。所以这种结构只要能保证可以识别增量的正负号即可，也就是说能够判断光束T的移动方向即可。采用三种不同编号的光电材料栅格块就可以判断光束T的移动方向，当然三种以上的不同编号的光电材料栅格块也可以达到同样目的。这种计数器原理增量测量方式使得测量时使用十分方便。同时，结构和制作工艺上的简化有利于提高可靠性和精度。
为了实施的方便，可以将图4中的栅格排列方式转换为图5中并行排列的结构。该方案其实只是将图4中的排成一行的1，2，3栅格拆开并排列成3排栅格，构成栅格带组，编号为1的所有栅格均列于栅格带R1上，编号为2的所有栅格均列于栅格带R2上，编号为3的所有栅格均列于栅格带R3上，且栅格的横向位置不变，仅仅向下错开一行。这样，图5中栅格带组也分为多个单元，每个单元栅格的分布状况一致，每一个单元包含3个栅格，均匀分布在3条栅格带上。由于编号相同的栅格输入单片机的同一个信号输入端，因此图5中的每一条栅格带两侧分别连接两条导电电极，一条连接高(或低)电平，图中的0所示，另一条则作为信号端输入单片机，图中的S1、S2、S3所示。其中，R1、R2可以共用一条导电电极0连接高(或低)电平。这样的栅格分布方式可以将各栅格连接的导线合并为导电带S1，S2，S3，使得结构更简单，更易于实施，而且光电栅格可以做得更精密，有利于提高传感器的分辨率和可靠性。激光的长度与栅格带组的长度一致，能够同时覆盖三条栅格带，当激光进行扫描时，输入单片机的三个信号会依次呈现编码“100”、空、“010”、空、“001”、空、“100”......并持续循环下去，根据前述原理通过单片机就可以很容易地处理这种周期循环的信号，从而得到待侧位移。
与图2的情况一致，还可以在图4的R栅格带(第一级栅格带)基础上再增加一级或者几级栅格带，形成层次结构。如图6所示(图中栅格带R上每一个单元有5个栅格，原理不变)，再增加一条栅格带P(第二级栅格带)，P上每一个栅格的宽度等于R上一个单元的宽度，光束在R栅格带上每扫过一个单元的长度就刚好在P栅格带上扫过一个栅格。如同自然数的结构，由个、十、百、千……各个位组成了一个特定的数；当增加栅格带条数时，高一级的栅格带就把它低一级的栅格带划分为若干个相似的单元，从而各个级的栅格带就形成了有规律的进位结构。比如在图4的示例中R就相当于代表个位，P就可以代表十位。当然，R，P之间的进位关系是由栅格的结构决定的，并不一定是十进制的。从根本上来讲，上述的这种多级栅格的编码原理就是在进行编码的时候，高低级栅格之间的关系是进位关系；而在同一级栅格带中，可以出现栅格的组合等编码方法。
图7是将图6所示的栅格带中的R栅格带拆分为5条栅格带，其拆分的原理相似于图5中拆分图4的情况，不再赘述。
图8是对栅格分布的又一种设计，它实际上是在第一级栅格带的内部栅格之间进行组合，以扩大这一级一个单元的长度。通过将图7中的第一级的栅格带组(图7中下面5排的栅格带)中的栅格进行排列组合即可得到图8所示的结构。栅格带P上的一个栅格对应栅格带组的一个单元L，从纵向看，T中包含下面5条栅格带在同一位置的编码情况，激光扫描到的位置输出的5个信号组成了一个编码，以T为例，单片机接收到的信号可视为(图中从上至下)“01100”，T左边的位置编码视为“01010”，T右边的位置编码视为“10001”，可以将5条栅格带上的栅格进行排列组合，在不同的纵向位置得到不同的编码。这样图7中的第一级的5排栅格组成的单元的长度就大大增加，从而可以减少第二级栅格带P的个数，达到了简化结构的目的。这种作法简单易行，可以减少栅格带P引出的导线数量。如果各级栅格带内部的栅格都类似地进行组合，则可以大大减少引出的导线数，一方面可以节省单片机有限的接口数，从而用较少的引出线即可获得较大量程，同时可以减少单片机的工作量。
栅格带的总级数、不同级栅格带之间的进位关系，同级栅格是否采用拆分或组合的方法都根据实际需要确定。这样实际应用中既可以以简单的编码方式实现增量式编码，也可以以多级栅格带方式实现表示点数很多的绝对式编码。
权利要求
1.计数器式数字位移传感器，其特征在于，栅格带R上的栅格划分为多个单元，每个单元包括N个栅格，N大于等于3，每一个单元的栅格从同一方向按照同样的顺序依次编号，所有编号相同的栅格通过导电块S连接同一根导线，并输入信号处理电路。
2.如权利要求1所述的计数器式数字位移传感器，其特征在于，还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与上述栅格带R平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带R所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带R上每一个单元的宽度。
3.计数器式数字位移传感器，其特征在于，含有N条栅格带，N大于等于3，每条栅格带的两侧分别连接两条导电电极，其中一条连接高/或低电平，另一条输入信号处理电路；所述N条栅格带平行分布，构成栅格带组，该栅格带组沿长度方向划分为多个栅格分布状况一致的单元，每一个单元均包括N个栅格，这N个栅格均与分布在N条栅格带上，且沿栅格带组的长度方向等距分布。
4.如权利要求3所述的计数器式数字位移传感器，其特征在于，还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与上述栅格带组平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带组所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带组上每一个单元的宽度。
5.计数器式数字位移传感器，其特征在于，含有N条栅格带，N大于等于3，每条栅格带的两侧分别连接两条导电电极，其中一条连接高/或低电平，另一条输入信号处理电路；所述N条栅格带平行分布，构成栅格带组，该栅格带组沿长度方向划分为多个栅格分布状况一致的单元，这些栅格沿栅格带组的长度方向等距分布；每一个单元中，栅格带组的不同位置处的栅格导电后输入信号处理电路的信号组成不同的编码；还有一条代表大刻度的栅格带P，栅格带P与所述栅格带组平行排列，栅格带P上的栅格数与栅格带所分的单元数相等，且栅格带P上每一个栅格的宽度等于栅格带组的每一个单元的宽度。
全文摘要
用于开关式数字位移传感器的计数器式栅格带属于量测物体位移或应变的传感装置设计技术领域。其特征是，栅格带R上的栅格划分为多个单元，每个单元包括N个栅格，N大于等于3，每一个单元的栅格从同一方向按照同样的顺序依次编号，所有编号相同的栅格通过导电块S连接同一根导线，并输入信号处理电路。还有将栅格带R分为平行分布的N条栅格带的结构，可以使得接线更为简单。本发明能够减少开关式数字位移传感器的栅格的连线，降低了制作的复杂性，提高了制作和测量的精度。
文档编号G01B11/16GK1749700SQ20051008660
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者陈轮, 李云鹤 申请人:清华大学