专利名称：一种多功能大量程智能千分表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可做位移传感器的多功能、多用途、量程可达5－50mm的智能化千分表。在需要进行长度的高精度测量，如几何形状的探测、机床的位移、机械加工、汽车制造等行业中将会有广泛用途。
现有的百分表、千分表，量程和精度难以同时提高。普通百分表的量程范围有5－50mm系列产品，精度只能达到0.01mm；普通千分表精度最高也只能达到1nm，但量程只有0－1.5mm。使用时，需要同时读出两个指针表盘的读数，再进行加减计算，方可得出测量结果。指针正反转转动时需读两种刻盘读数，且功能比较单一，批量产品测量时更受人的主观因素的限制、如眼睛易疲劳等，容易出现差错。
一般位移传感器，其传感头本身不具备信息自动处理功能，传输给后继电路的信号易受移相、能量耗散及各种干扰信号的影响。要克服这些不利因素，需要对传感头的敏感性、密封性、传输线的材质及其他各方面性能提出苛刻的要求，实用性和寿命受到限制。另外，具有传感器功能的百分表、千分表，或具有百分表、千分表功能的传感器尚未见有文献报道或产品应市。
本发明的目的在于提供一种新型的可做位移传感器的大量程智能千分表，它既克服了一般千分表的量程小、功能单一、不能自动显示等缺陷，又可作为从本质上改变了硬件结构的位移传感器，加装特殊的光电码盘，光电变换器、电子器件、单片计算机、液晶显示屏及数据输出孔制作而成。总量程保持百分表5－50mm的范围，精度上达到千分表、乃至万分表的要求。该表可自动修正线性度、自动补偿固有误差，定期进行自校正；还可对超出量程及应更换电池提出警告；液晶显示为六位，可显精度为10－6m，传感可测精度达10－8m，并能通过转换按扭进行公英制换算。
本发明提供的装置又可作为自行处理信息的智能化位移传感器。可将位移量转换为数字量输出，后继电路不需A／D的变换电路即可与计算机控制系统相连，以形成位移量自动测试、处理的工作系统。输出信号大而强，抗干扰、抗畸变，对传输信号的其他设备要求可大大降低。另外，传感头利用了原百分表的中心杆，刚度好，使用寿命为100万次以上，远高于一般位移传感器，且成本降低。该装置体积小、可取代一些高档位移传感器，适用于大多数敏感位移测量场合。
本发明所述的可做位移传感器的大量程智能千分表，其各部分构造的功能是这样实施的①机械传动装置，将触头的前后移动通过滑杆带动齿轮，游丝动作，变成中轴的转动；②光电转换装置，把中轴的转动通过光电码盘和光电交换器调成电脉冲，再经放大整形和辨向变成可正反向计数的电脉冲；③单片机处理显示部分，计数电脉冲经单片计算机计数和数据处理后，再经显示驱动电路在液晶显示屏上显示出测量结果。表壳上留有插孔，可以BCD码将数据输出。
本发明可用下述参考附图比较详细地加以说明附
图1是本发明的(一种装置的)侧剖视结构图。装置中的三部分以层状排布、底层是机械采样装置(1)，触头(4)测得的位移量通过套管(6)中的滑杆(5)及后面的齿轮，游丝变成中轴(7)的转动。中层是光电变换装置(2)，现行技术中，有金属光电码盘，这种盘重，转动惯量大，挖孔工艺限制了精度；也有有机玻璃及其他材料制成的光电码盘，这种盘多采用光刻技术，成本高，对发光源要求苛刻，本发明的光电变较装置中的50孔光胶盘(10)选用BG70胶片，经拍摄放大100倍的光电码盘图再经冲洗制成，使绘图手工误差缩小100倍，光码盘误差在5×10－9m，达到或超过光刻。光电胶盘只有50个孔(16)，中心用一根轻的薄铝片制成的托盘(8)支持，以保证光电码盘的刚度。由于工艺简便，选材容易，因而成本极低，只需几角钱便可以制成这种光电码盘，再粘上一个中间带孔的小针(9)，以便可以插在中轴上。为防止光电盘与光电器件接触，用加长轴(19)技术使光电胶盘升高到插入式光电器中央，且加长轴上部为弧形，允许正公差，使小针(9)可较紧地联于其上，又可方便取下，以实现光电胶盘的可调整及可更换性。长轴下端孔为负偏差，可与百分表中轴(7)紧配合，以修正原中轴允许的偏心度，确保光电盘中心到位，消除摆动。光电变换器(11)选用两个英国ISOCOM公司生产的ISTS400，呈接近π电面度的位置放置，整形放大及辨向电路全部集中在一块环形电路板(12)上，放置在光电器件外围。(13)为电池。面层(3)是单片机处理显示部分，为一块集中了单片机，程序存储器、液晶驱动器，液晶屏的线路板。
光电变换必须有辨向功能，现有辨向技术是将A、B两个变换器调到相差 (π)/2 电角度，这在实际调试时带来一定困难，且仅为了辨向用一个B变换器不合算，另还需加大量辨向电子元器件。本发明的特点是，利用单片机技术，使B相对于A的电位差除Kπ(k＝0，±1，2…)处外几乎可置于任何点处。因为本发明以A、B脉冲过零点作为单片机机器周期的开门及关门点，如图5所示，在a及b期间可计数104以上，只要a≠2b就能由单片机完成辨向功能。本发明是将B变换器相对于A尽量滞后π角度，再将A、B信号经或门输出，这样不用单片机，就实现了光电转盘孔增加一倍的功效，其误差为 (a－(b－π))/(a) ，宅远小于一个光电孔周期，而百分表机械惯量允许误差为0.01mm以上，故本发明以这样接近π角度组合的两个光电变换器作用是1、使两变换器位置位置不受电角度限制，只需根据几何位置需要灵活放置，而不必力求调定 (π)/2 电角度。2、当用单片机进行提高精度处理时，每周期有两个基准参照修正点。3、单个光电孔实现了两个光电脉冲识别的效果，使光电盘孔数降至50，但仍具有百分表100个脉冲孔作用。
本发明将光电胶盘孔降至50，使其直径减小0.7倍，支承盘直径亦减小0.7倍，轴上负荷只具有原两个百分表指针的转动惯量，从而大大增强了该装置起停能力和灵敏度。同时留出中间层的大部分安放光电接收的整形、辨向等电子器件，使光电变换输出线最短，抗干扰能力强，亦不必对各元器件进行任何特殊的技术处理。
本发明的一个特点是辨向，放大及整形电路的巧妙结合。如图6所示，信号通过RO微分及非门变化环节输出e1、e2信号，当e1为高电平时加计数，e2为高电平时减计数，从而完成辨向及送数功能。本发明利用与门电路输出需跃过门坎电平的特点，将放大整形电路完全由两个与门承担，同时对单片机设置门限接收电平，达到了两级整形放大的效果。
本发明所用光电变换器只敏感红外光，对日光无影响，因而可在夜间及密封场所使用。同时光电接收器与光电片为无接触式工作方式。
本发明利用单片机具备了消除补偿启停转动引起的惯性误差的能力。根据转拉起停加速度的大小及正负值，单片机可准确地算出惯性引起的误差计数量，并自动地补偿之。例如，敏感触头停止时，因惯性引起多计数，单片机就会自动减掉多计数；起动时，因惯性少计数，单片机就会自动加上少计的数。这样就将百分表，千分表机械惯量所无法克服的示值误差，用单片机加以解决了。
本发明利用单片机机器周期，将A、B光电变换器输出的每个光电脉冲作为开、关门电平，在此期间内进行103以上的精确计数，实现了对每个0.01mm区间内细分刻度的功能，精度提高三个数量级以上，分辨达到10－8m，完全达到并超过了千分表乃至万分表(10－6～10－7m)精度。
由于本发明装置体积小，传感头探测信号经处理输出达到或起过光栅式位移传感器精度，因而又可做为高精度智能传感器。
图2是本发明所述装置的表截面示意图。两边各有两个1.5V5号电池，为整个装置提供6V电源，电池卡在一个弹性铜片(14)和弹簧(15)之间。壳子外另有两个开关，一个是电源开关(17)另一个是公英制转换开关(18)，通过其开关状态，可以实现公英制和英制显示。作为传感器时，可外接电源，则电池处于备分状态。(10)为光电胶盘，(11)为光电变换器，(12)为环形电路，(13)为电池。
图3(a)、图3(b)及图3(c)分别为本发明所述装置中光电胶盘、托盘、加长轴示意图。
图4为本发明所述装置中的整个电路原理框图。以虚线为界，左边集中在环形线路板上，右边集中在面层线路板上，由两根计数脉冲线联接。其中7211为后四位液晶驱动、译码电路，CD4054为前面半位及符号液晶驱动、译码电路。对应图5是本发明处理和控制程序框图，它们均固化于程序存储器2716里面。
图5为本发明光电变换原理图图6为放大及整形电路原理图整个装置的关键在中层的光电变换装置，由它简单地实现了非电量的电测量，面层的单片机处理显示部分为智能核心，通过硬件配合，采用简单电路便实现了提高精度、消除误差、定期自校等智能功能，成为可做位移传感器的大量程智能千分表。实验表明在－75℃～＋75℃内全部功能正常。
测试数据如表1所示。
＊因所测值超过千分表1.5mm的总量程，故无数据＊＊本装置输出值的小数点后有效数字为5位，可以作为高精度位移传感器；液晶只显示小数点之后三位，故具有千分表显示精度。
＊＊＊头三组测试数据表明了本发明装置的读数稳定性，而百分表、千分表因机械惯量引起的示值误差，使其最后一位有较大的分散性。
权利要求1.一种千分表，其特征在于它构成三层长薄片结构，底层将百分表机械采样装置的位移信号变为中轴转动，并附有干电池盒；中层有加装在中轴的光电码盘，通过光电变换器将转动量变成电脉冲加以整形、辨向电路，并附有电源开关，公英制转换开关，输出信号引线，外接电源插孔；上层有48单片机构成的软硬件，译码驱动电路和液晶屏。
2.由权利要求1所述装置，其特征在于单片机8039与LS273、2716构成单个光电脉冲细分并精确计数电路，达到10－4毫米以上精度，加上机械推杆几十毫米量程，构成大量程千分表装置。
3.由权利要求1所述装置，其特征在于中层光电变换、整形放大、辨向电路及输出引线在空间紧挨一起，形成弱信号强探测的智能位移传感器结构，而不附加抗干扰电路。
4.由权利要求1所述装置，其特征在于两光电变换器为仅敏感红外光的ISTS器件，在单片机控制下它们可呈任意相位角放置，构成逆向判别电路，一个光电码盘插在它们中间。
5.由权利要求4所述装置，其特征在于光电码盘取材GB70胶片或其它高反差拍摄用胶片；当采用两光电器件呈接近π角度联接时，光电盘孔减少一倍，精度不减，盘直径仅约24毫米。
6.由权利要求4所述装置，其特征在于用薄铝片制成的托盘贴在光电码盘上，一个中间带孔的小针贴在托盘上，中轴套一加长轴；加长轴上端为弧形，下端为细孔，小针和中心轴分别与加长轴上、下端配合，并可以相互调整。
专利摘要本实用新型提供了一种可做位移传感器的大量程智能千分表。它由机械采样装置、光电变换装置、单片计算机组合电路、液晶显示屏及数据输出插孔组成。其量程为5～50mm，可显示精度为10-6m，可测出精度10-8m。
文档编号G01B21/00GK2066973SQ89221179
公开日1990年12月5日 申请日期1989年12月16日 优先权日1989年12月16日
发明者晏磊, 陈文 申请人:晏磊