专利名称：高精度数字式直线位移传感器的制作方法
技术领域：
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本发明涉及一种直线位移传感器，具体地说，是涉及一种具有很高 精度的数字式直线位移传感器。
背景技术：
在工业生产中，尤其在航空航天、自动军械装备等领域要求直线位 移检测具有更高的精度和分辨率，这就对直线位移传感器的要求大大增 强。当前用于直线位移测量的传感器种类很多，但现有的传感器在实际 应用中或多或少都存在着一些问题，有的设备复杂、成本高，有的对环 境要求高，有的精度低、线性范围小，有的结构复杂、工艺要求高。如 电容式传感器结构简单、动态响应快，但容易受寄生电容和外界干扰。 电感式传感器结构简单、输出功率大，输出阻抗小，抗干扰能力强，但 它动态响应慢，易受磁场干扰。磁栅传感器安装使用方便，成本低，单 精度不高，使用时需屏蔽，抗干扰能力差。光栅尺测量精度高，可控性
好，被普遍采用。如德国HEIDENHAIN、日本MITUTOYO等公司生 产的直线位移光栅尺精度和分辨率很高。但光栅尺对使用环境要求高， 要求光栅运行平稳、无突变和相对低速，且不能受工业现场粉尘、油污 和水气污染。国产的光栅传感器份量重、精度低、性能不稳定，而进口 的高精度光栅尺价格昂贵。此外光纤直线位移传感器及激光传感器均存 在成本高的问题。
发明内容
本发明提供一种结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率 高的高精度数字式直线位移传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种高精度数字式直线位移传感器，其特征是包括电机驱动的光 栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨 道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感 器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面 为光亮面。
本发明所述的高精度数字式直线位移传感器的有益效果主要表现
在
1. 结构简单，光栅盘制作简单，只须开一条透光刻线，线宽不需要很 窄，只要能够使所采用的反射式光电传感器工作就可以。安装方便， 实现数字化非接触式检测。
2. 成本低，测量范围大。
3. 精度和分辨率高，在保持电机转速稳定的前提下，采用高频脉冲填
充法，可获得很高的精度。
4. 测量前无须调零，无须判向电路，可通过软件直接判向，方便了检 测过程。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述的高精度数字式直线位移传感器结构图；图2是本发明所述的直线位移传感器测量原理俯视简图1; 图3是本发明所述的直线位移传感器测量原理时序图1; 图4是本发明所述的直线位移传感器测量原理俯视简图2; 图5是本发明所述的直线位移传感器测量原理俯视简图3; 图6是本发明所述的直线位移传感器测量原理时序图2。 图7是本发明所述的直线位移传感器测量原理俯视简图4; 图8是本发明所述的传感器接口电路结构框图9是本发明所述的传感器接口电路采用74HC4040作为计数器时 的高频脉冲计数电路原理图。
具体实施例方式
一种高精度数字式直线位移传感器，包括电机6驱动的光栅盘5，光 栅盘上设有一条透光刻线7，光栅盘上方设置直线轨道4，直线轨道两端 分别固装一个反射式红外光电传感器l、 2 (静传感器)，另有一个反射 式红外传感器3匸动传感器)与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面 向反射式红外传感器的一面为光亮面。
使用的圆光栅只开有一条透光刻线，光栅盘采用反射性能较好的亚 光铝等材料制作，其面向反射式光电传感器的一面为光亮面。当透光刻 线经过反射式光电传感器时，传感器输出一低电平脉冲。当刻线不经过 反射式光电传感器时，传感器的红外发射管发出的光经光栅盘面反射， 接收端输出高电平。4为物体直线运行轨道(轨迹)，被测物体沿轨道(轨 迹)直线运行，反射式光电传感器l、 2固定在轨道两端，反射式光电传 感器3跟随被测物体运动。为了分析方便，以下将反式光电传感器l、 2简称为"静传感器"(其中光电传感器l称为工作静传感器、光电传感
器2称为辅助静传感器)，反射式光电传感器3简称为"动传感器"，微 型同步电机的转速简称为"同步转速"。 1.被测物体移动方向远离工作静传感器
测量原理俯视图如图2所示，设同步转向为顺时针方向，n为同步 转速，被测物体初始位置在A0处，在测量前先启动同步电机带动光栅 盘转动，光栅透光刻线分别经过静传感器l、动传感器、静传感器2后， 会依此输出三个脉冲信号(假设经过处理后均为负脉冲信号)。
传感器测量原理时序图如图3所示。在测量之前，同步电机转动后， 静传感器l、动传感器、静传感器2的输出的脉冲信号分别如图3中的脉 冲A、 B和D所示。静传感器1与动传感器的初始相位差为《。此时我们在 两脉冲间填充高频脉冲，在静传感器l脉冲下降沿启动高频脉冲计数，在 动传感器下降沿停止计数(如图3中的脉冲C所示)，则计得的高频脉冲 个数^与《成正比。同理，在两个静传感器输出脉冲间填充高频脉冲， 设^ =《+《+《，则高频脉冲数W与6成正比。当光栅刻线继续旋转， 与静传感器l再次接触时，可得到同步电机转动360。所计得的高频脉冲 数W。可得
<formula>formula see original document page 6</formula>(1)
当被测物产生了线位移，则带动动传感器同步移动，设从位置^。移 动到位置4，此时静传感器输出脉冲不变，动传感器输出脉冲如图3中
<formula>formula see original document page 6</formula>的F所示。此时，我们在两脉冲间填充高频脉冲如图G所示，则脉冲个数
<formula>formula see original document page 7</formula>成正比。可得
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
同理，当被测物以4为初始点，从位置4移动到位置4，此时动
传感器的输出脉冲波形如图3的H所示，通过计数两脉冲下降沿间的高频
脉冲数为A^ (如图I所示)。此时新的角位移所代表的脉冲 数^二i^-^。则被测物移动的角位移《
<formula>formula see original document page 7</formula>
则物体运动的直线位移为 <formula>formula see original document page 7</formula>(6)
可以采用上述方法得到线位移测量通用公式
<formula>formula see original document page 7</formula> (7)
<formula>formula see original document page 7</formula> (8)
式中，丄一被测线位移；^一电机轴心到静传感器1中心间的距离； ^一动静传感器间初始时刻相位差；^一静传感器1中心和电机轴心所 形成的连线与直线轨道的夹角；^一动传感器直线移动后产生的相位角； 丄e—初始时刻静动传感器间的距离；A^—本时刻静动传感器间高频脉 冲数；&一初始时刻静动传感器间高频脉冲数；iV—360度范围高频脉冲数。
在这里要说明的是，"初始时刻静动传感器间高频脉冲数"不是一 个固定的数。如把初始时刻定义在J。则A^为"初始时刻静动传感器间高 频脉冲数"；如把初时刻定义在^，则&为"初始时刻静动传感器间高 频脉冲数"。这要视测量需要而定，可以在接口电路程序中通过软件实 现不同的功能。
在这里使用的是动态测量方法，也就是同步电机不停转动，控制器 不断记录静动传感器间的高频脉冲数，不断根据公式更新计算结果并显 示。通过显示，可以定时测量物体的直线位移并观测到被测物直线移动 的动态过程。
测量结果的精度和分辨率取决于高频脉冲的频率和同步电机转动 的匀速程度，只要高频脉冲的频率足够高，同步电机匀速转动，理论上 可以得到很高的测量精度和测量分辨率。
在此我们也可以看出，静传感器2的作用冗余，仅需一个静传感器 (工作静传感器)和一个动传感器就可以完成线位移检测。我们在设计 中，依然采用两个静传感器，可以方便用户采用不同的检测方式完成更 多功能。
且直线轨道与光栅圆盘的位置不会影响到测量，只要直线轨道不经 过圆心且在圆盘范围内，都可以进行检测。如图4所示，直线轨道(轨 迹)在任意位置、采用单反射式红外传感器检测，公式7、 8同样适用。 2 .被测物体移动方向接近工作静传感器
当被测物体移动方向渐渐接近工作静传感器时，如图5所示。动传感器初始位置在4处，透光刻线经过静传感器再经过动传感器后，会输出
两个脉冲，如图6中的A、 B所示。两脉冲的相位差即为两传感器初始相 位差《=《+《+《。此时在静传感器脉冲下降沿启动高频脉冲计数，在动 传感器下降沿停止计数(如图6中的脉冲C所示)，则计得的高频脉冲个 数M与S成正比。设静动传感器间初始距离丄=A +丄2 + L3 。
当被测物产生了线位移，则带动动传感器同步运动，设从位置A移 动到位置4，此时静传感器输出脉冲不变，动传感器输出脉冲如图6中 的D所示。此时，我们在两脉冲间填充高频脉冲如图E所示，计得高频脉 冲个数A^与(^+《)成正比。
通过减法运算可以得到A^ iV3，如图中C所示。A^与角位移《成
正比。并且可以得到同步电机转过360。所计得的高频脉冲数W。则计算 公式如下
<formula>formula see original document page 9</formula>
,=i-丄2-￡3 (13) 同理，当被测物以4作为起始位置，从位置4移动到位置^，此时 静传感器和动传感器的输出脉冲波形如图中D、 F所示，通过计数两脉冲 下降沿间的高频脉冲数为M (如图中G所示)。可得<formula>formula see original document page 10</formula>
可以采用上述方法得到线位移测量通用公式-<formula>formula see original document page 10</formula>^一静传感器 -初始时刻静动
丄一被测线位移；^一电机轴心到静传感器间距离； 中心和电机轴心所形成的连线与直线轨道的夹角；丄2-传感器间的距离；本时刻静动传感器间高频脉冲数；A^—初始时 刻静动传感器间高频脉冲数；7V—360度范围高频脉冲数；^一动传感 器直线移动后动静传感器间相位差。 3.被测物体移动方向未知或不定
同步转向由传感器中同步电机提供，方向固定不变(假设固定为顺 时针方向)。而被测物体移动方向很多情况下是未知或不定的。在此情 况下首先要判别被物移动方向。判别方法很简单当光栅刻线第N-1次 经过静、动传感器后得到了它们之间的高频脉冲数，在接口电路软件中 用寄存器记录为"上一次静动传感器间高频脉冲数"。然后将光栅刻线 第N次经过静、动传感器后得到的高频脉冲数记录为"本时刻静动传感器间高频脉冲数"。用"本时刻静动传感器间高频脉冲数"减去"上一 次静动传感器间高频脉冲数"，如果为正就说明被测物向远离工作静传
感器的方向移动，此时采用7、 8式计算线位移。如果为负说明物体向接 近工作静传感器的方向移动，此时采用18、 19式来计算线位移。当光栅 刻线第N+1次经过静动传感器时，将第N次的"本时刻静动传感器间高频 脉冲数"作为第N+1次的"上一次静动传感器间高频脉冲数"进行计算 和判别。如果仅需计算线位移而不需知道移动方向时，没有必要如此繁 琐，只需始终使用公式7、 8或18、 19，结果取绝对值即可。
在更一般的情况下，同步转速不定，物体移动方向不定时，会出现 如图7所示情形静动传感器间初始夹角大于180。。为了能使用公式7、 8或18、 19进行计算，应当使同步转向反向。因此可以得到发明的传感 器使用流程
① 检测前使微型同步电机转动，在接口电路微控制器中通过程序识 别，使光栅刻线第一次经过静传感器所得到的脉冲作为起始脉冲，始终 保持动传感器的输出脉冲滞后于静传感器输出脉冲。并计算初始时静动 传感器间距离及对应的夹角。
② 如静动传感器间初始夹角小于180。则不做处理，如大于1S0。则改 变同步电机转向，并重复步骤"①"的工作。
③ 判别物体移动方向。如果物体向着接近工作静传感器的方向移动， 则采用公式18、 19计算线位移。如物体向着远离工作静传感器的方向移 动，则采用公式7、 8计算线位移。
在测量时，也可采用两个静传感器间的高频脉冲数作为基准，来代替360度范围高频脉冲数N。
4.传感器性能及优缺点分析
4. 1传感器精密度、准确度及分辨率分析
对于线位移传感器来说，测量精密度、准确度和分辨率是最重要的 技术指标。测量精密度是指相同条件下，对被测量进行多次反复测量， 测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映 的是测得值的随机误差。在本系统中，测量精密度主要取决于同步转速 的均匀程度。
测量精度(准确度)是指被测量的测得值与其"真值"的接近程度。 从测量误差的角度来说，正确度所反映的是测得值的系统误差。此时我 们来计算理论上系统可达到的分辨率和精度，假设传感器中同步电机转 速为200r/min (3.3r/s),则电机带动光栅刻线转动360度所记得的高
频脉冲数为7575757个。则理论上最小可分辨的角度为 1/(25x10。)
360° = 0.000048°，该角度所对应的线位移也是非常小的，因此线 位移测量分辨率和精度都很高。而且电机转速越慢，系统分辨率越高， 精度也越高。但电机转动速度越小，系统响应越慢。为了提高系统响应 速度，应使电机快速旋转，此时可以通过增加高频脉冲频率来提高系统 精度和分辨率。
4. 2新型直线位移传感器系统的优缺点分析
该新型直线位移传感器优点如下 (1)测量范围大，只需要保证物体移动范围在以光栅刻线为半径的圆内即可，增大光栅刻线长度可增大量程。
(2) 结构简单，安装方便，成本低。
(3) 测量精度和分辨率高。
(4) 测量前无须调零。
(5) 不需另加判向电路，通过软件直接判向。 该系统设计也存在缺点及改进方法
(1) 存在一定系统误差 主要为电气误差和同步转速误差。电气误差由两部分组成，系统中
采用的控制器接收到动传感器信号后进入中断，同时发出锁存信号读取 高频脉冲数需要一定时间，此时间会造成所读的高频脉冲数多于实际的 脉冲数，形成测量系统误差，可以通过改进控制器(如选用CPLD、 FPGA 或DSP等作为控制器来减少误差)。此外，控制器进行正弦计算时，一 般采用査表法会存在一定误差，可通过改进算法及采用高端控制器来减 小误差。同步转速误差主要由于同步转速的不均匀会引起高频脉冲计数 误差，可以通过选用转速均匀度高的电机来减小误差。
(2) 响应速度慢
当被测物产生直线位移后，传感器并不能立即响应，而是要等到光 删刻线转动到新位移处时才能响应。可以通过提高同步转速来提高响应 速度。或将该传感器用于定时测量的场合。
(3) 不适于测量高速物体位移 5.传感器接口电路设计
5. 1硬件设计总体框图在设计中，采用AT89S51单片机与高速计数器74HC4040或CPLD相 结合的方式，可有效降低系统成本，增强系统的可扩展能力。接口电路 总体框图如图8所示。
5. 2信号处理模块
如采用反射式红外传感器作为位置传感器，可采用LM339等比较器 对传感器输出信号进行整形。 5. 3高频计数模块
74HC4040工作频率可达50MHZ。本课题设计的高频脉冲计数电路如 图9所示。计数单元采用25M有源晶振作为高频脉冲输入，通过脉冲下 降沿触发74HC4040开始计数。由于74HC4040是12位二进制计数器， 所以系统采用两片级联的方式，并将第一片的最高位连接到第二片的 CLK端，从而用第一片的高四位与第二片的低四位共同组成一个16位二 进制计数器。但如果只采用16位计数不能满足系统要求，因为16位计
数器计满所需时间为:^^x216 = 0.002621秒，这意味着传感器光栅刻线
25x106
经过动传感器与静传感器间的时间间隔必须小于0.002621秒，同步电
机达不到如此高的速度。所以我们将第二片74HC4040的Q4接到单片机
的T0端，计满216个数后04出现下降沿，触发T0计数。由于TO本身
为16位二进制计数器，则由以上结构可构成32位二进制计数器。如果
计满所需时间为^~^><232 =171.8秒，可以满足要求。同时25M时钟经过 25x10
216分频，TO端的计数频率为381HZ，这也可以满足要求。
此外，也可采用CPLD作为高频计数模块，CPLD具有频率高、集成度高、抗干扰能力强、可靠性好、可维护性强等特点。使用CPLD虽然 增加了系统成本，但实现了系统性能的提升。本发明选用ALTERA公司 生产的EPM7032作为硬件设计中的CPLD模块。实验中采用CPLD完成计 数功能，单片机完成运算及显示存储功能。 5. 4显示模块及数据存储模块
采用数码管动态显示方式，8255扩展单片机的I/O 口。其中PA 口输出段码，PB口和PC口输出位码。位扫描口加反向驱动器75452以 提供足够的驱动电流，段数据口经同向驱动器7407再接到LED各段。 本系统中测量出的直线位移的历史数据要进行保存，以便用户进行查 询，为此硬件系统中使用了非易失性存储器24C04来保存这些信息，单 片机通过I2C协议的软件包对24C04进行读写。
权利要求
1、一种高精度数字式直线位移传感器，其特征是包括电机驱动的光栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。
全文摘要
本发明公开了一种高精度数字式直线位移传感器，包括电机驱动的光栅盘，光栅盘上设有一条透光刻线，光栅盘上方设置直线轨道，直线轨道两端分别固装一个反射式红外光电传感器，另有一个反射式红外传感器与直线轨道上的移动物体连接，光栅盘面向反射式红外传感器的一面为光亮面。本发明具有测量范围大、结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率高、无须调零、通过软件直接判向等优点。
文档编号G01B11/02GK101408409SQ200810236328
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月7日 优先权日2008年11月7日
发明者浩 冯, 亮 华 申请人:南通大学