专利名称：光纤半绝对值编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及液位、物位的线性测量领域，具体说是一种在失电后自动恢复测量读数，对易燃、易爆、有毒物品的液位、物位进行线性测量的光纤半绝对值编码器。
背景技术：
石油化工的各种油品储罐，压凝式液体压力容器，各种化工原料、试剂储罐，各种易燃气体容器；这些容器体积庞大有几万立方米，对其内部的液位测量难度较大，尤其是安全精确测量，目前用的测控光电编码器虽然精度可以保证，但由于光电编码器的特性还是有“引燃”的不安全因素存在，给测量带来了极高的风险存在。即使人工到现场测量的方法也有着人的不安全因素和数据准确性的误差较大。
发明内容为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种在失电后自动恢复测量读数，对易燃、易爆、有毒物品的液位、物位进行线性测量的光纤半绝对值编码器。本实用新型的技术方案是:包括壳体、光码变送机构和光码数据处理模块，其特征是:光码变送机构和光码数据处理模块通过光纤连接在一起；所述光纤一端接在光码变送机构的光路器上，另一端接在光码数据处理模块的PCB板上；所述光码变送机构包括安装在壳体内的增量型光码机构和绝对值光码机构，增量型光码机构通过齿轮组与绝对值光码机构连接在一起；所述增量型光码机构包括安装在前轴承座上的前轴，前夹板固定在前轴上，增量型码盘置于两片前夹板之间；在前轴承座上方固定第一光路器和第二光路器，上述两个光路器置于增量型码盘的左右两侧，在第二光路器与增量型码盘之间固定光栅座，在光栅座上固定光栅盘；光纤把有源器件发出的连续光束，传递给左端的光路器，左端的光路器把光束截面积扩大后照射在增量型码盘上。在增量型码盘转动过程中和光栅盘的光栅共同作用下，右端光路器就形成了有规律的有光照和无光照的物理特征，并通过光纤传递给有源器件的光敏元件。光敏元件有光照时产生高电位脉冲，无光照时产生低电位脉冲，在光码数据处理模块中把高、低电位的每一次变化都当做一个新的数据“I”进行处理。根据增量型码盘和光栅盘光栅组合的顺序关系以递增加I或递减减I的方式进行计数。所述绝对值光码机构包括安装在后轴承座上的后轴，后夹板固定在后轴上，绝对值码盘置于两片后夹板之间；在后轴承座上方固定第三光路器和第四光路器，上述两个光路器置于绝对值码盘的左右两侧；后轴承座与后轴之间安装滚动轴承，绝对值码盘置于两片夹板之间，夹板固定在后轴上；在后轴承座上方固定两个绝对值光路器，两个绝对值光路器置于绝对值码盘的两侧；光纤把有源器件发出的连续光束，传递给左端绝对值光路器，左端绝对值光路器把光束截面积扩大后照射在绝对值码盘上。在绝对值码盘转动过程中，在通光量不同的光栅作用下，右端绝对值光路器就形成了有规律的强、弱光照和无光照的物理特征，并通过光纤传递给有源器件的光敏元件。光敏元件在强、弱光照下产生不同的大、小电流(4一20Ma)，根据赋值要求在不同的电流下就有不同的数据，无光照时不读数，实现了机械位置读数的绝对值属性。所述光码数据处理模块包括单片机，单片机安装在PCB板上，在PCB板还设置有红外发射晶体管和红外接收晶体管，红外发射晶体管和红外接收晶体管与单片机连接。本实用新型的有益效果是通过绝对值的编码可以自动的校正增量型的光码数据，解决了光纤增量型编码器失电时同时失去坐标基准点问题。当失电后又来电时，运动到绝对值的某一机械位置时，绝对值数据自动更新增量型编码器数据，恢复其原点数据，实现了绝对值性质的修复性数据，提高了整体测量机构的操作稳定和方便性；这样就实现了安全测量并且不需要人工到现场测量的目的。
图1是本实用新型的剖面结构示意简图。图2是本实用新型的光路器剖面结构示意简图。图3是本实用新型的绝对值码盘结构示意简图。图4是本实用新型的光电转换板原理图。图5是图4的变送模块光电转换板信号放大滤波电路原理图。图6是图4的方向判断正向信号放大电路原理图。图7是图4的方向判断反向信号放大电路原理图。图8是图4的修正信号放大电路原理图。图9是本实用新型的变送模块主板图。图10是图9的主板CUP及外围部分电路放大图。
具体实施方式
光码变送机构和光码数据处理模块通过光纤44连接在一起；所述光码变送机构包括安装在壳体3内的增量型光码机构和绝对值光码机构，增量型光码机构通过齿轮组31与绝对值光码机构连接在一起；所述增量型光码机构包括安装在前轴承座上的前轴1，夹板22固定在前轴上，增量型码盘8置于两片夹板之间；在前轴承座7上方固定两个光路器，两个光路器6置于增量型码盘的两侧，在其中一个光路器与增量型码盘之间固定光栅座10，在光栅座上固定光栅盘9 ;所述绝对值光码机构包括安装在后轴承座38上的后轴39，绝对值码盘42置于两片夹板之间，夹板固定在后轴上；在后轴承座上方固定两个光路器，两个光路器置于绝对值码盘的两侧；所述光码数据处理模块包括单片机50，单片机安装在PCB板51上，PCB板与光缆52连接，PCB板上还设置有红外发射晶体管53和红外接收晶体管54，红外发射晶体管和红外接收晶体管与单片机连接。所述光路器6由光路器壳体61和光码传输系统62组成；所述光路器壳体呈筒状，光码传输系统安装在光路器壳体内；所述光码传输系统的结构是凸透镜621连接在尾纤622的一端，尾纤的另一端与光纤连接。本实用新型在工作时，1、3号光纤把有源器件发出的连续光束，传递给图1所示1、II号光路的左端光路器，左端光路器把光束截面积扩大后照射在增量型码盘上。在增量型码盘转动过程中和光栅盘的光栅共同作用下，1、II号光路的右端光路器就形成了有规律的有光照和无光照的物理特征，并通过2、4号光纤传递给有源器件的光敏元件。光敏元件有光照时产生高电位脉冲，无光照时产生低电位脉冲，在光码数据处理模块中把高、低电位的每一次变化都当做一个新的数据“I”进行处理。根据增量型码盘和光栅盘光栅组合的顺序关系以递增加I或递减减I的方式进行计数。5号光纤把有源器件发出的连续光束，传递给图1所示I号光路的左端光路器，左端光路器把光束截面积扩大后照射在绝对值码盘上。在绝对值码盘转动过程中，在通光量不同的光栅作用下，III号光路的右端光路器就形成了有规律的强、弱光照和无光照的物理特征，并通过6号光纤传递有源器件的光敏元件。光敏元件在强、弱光照下产生不同的大、小电流(4一20Ma)，根据赋值要求在不同的电流下就有不同的数据，无光照时不读数，实现了机械位置读数的绝对值属性。光纤保护罩12的作用是保护光纤不受其外界各种因素损伤。本实用新型在整体结构上进行了小型化设计，在实际中最大直径在80 mm左右，比初步的光码增量型变送器要小50%左右。增量型码盘用不锈钢板蚀刻精密加工，使每转可以有1200—1500的读数精度，已经接近了光电编码器的水平，增量型码盘与绝对值编码的数据关系用齿轮组的传动比来确定，在设计不同测量范围时，齿轮组的传动比也就不一样。在增量型编码器中采用了光电编码器的光栅盘结构，使其光码读数清晰度大幅提高，由此将整个编码器分辨率提高了一倍多。采用4一20mA式绝对值码盘，码盘的设计可根据绝对值修正点的数量来设计码盘光栅孔NI Ni的数量NI Ni光栅孔的宽度是不一样的，最小通光孔感应读数电流为4mA，最大的通光孔感应电流为20mA，各个光栅孔随对应的绝对值数据是人工输入的，使该码盘的结构非常简单，便于加工制造，成本低廉。光路器中凸透镜与尾纤的结合面为无尘要求，根据这一要求，密封圈为一橡胶弹性材料，而橡胶中的一些有机成分不能产生挥发现象，挥发后会飘移到尾纤与凸透镜的结合面处，而影响光束的传递。内套I与光路器体、内套I与内套II采用旋压过盈结构，确保凸透镜的位置精度，弹簧是保证尾纤与凸透镜有一个合理的接触压力，紧固螺塞为弹簧提供预紧力。光纤负责光信号的传递。光路器在使用时每组为两个，一个负责发送光束，一个为接收光码。光码数据处理电子模块它主要功能是完成光束发出和返回光码的电脉冲数据的转换和运算及处理，并将数据信号输送给上位机。光缆为6芯光缆，1、3、5号光纤为向光码变送机构发送光束光纤,2、4、6号光纤为光码回传光纤，发送的光束由红外发射管发出，光码接收由红外接收管完成。单片机负责光码数据转换和处理。在数据处理的过程中，本发明此处的关键点就是4一20mA信号与绝对值码盘对应的数据是依据对编码器绝对值部分全量程精确测量后，根据绝对值码盘每个不同的4一20mA信号值。在单片机中都有人工赋值的绝对值数据，当增量型编码器在工作状态下遇到失电失去原基准点，当电力恢复后编码器运行到某一绝对值数据点时，单片机自动将绝对值数据赋值给增量型编码器累加器恢复其基准点数据。参见图4 10，光码数据处理电子模块电气原理图说明如下。光电转换板作用:光电转换板的功能是，将有源器件发出的红外光，经过光码变送器后，形成的光信号转成电信号。参见图4，光电转换板的分解图说明:参见图5 8，变送模块光电转换板信号放大滤波部分说明:方向判断正向信号放大电路由U1，U2运算放大器。R4 R7，及Cl为放大电路的外围组件。D4为有源器件同等于红外接收管。光信号经过D4转成电信号，并通过Ul，U2放大，输出信号V01。方向判断反向信号放大电路由U3，U4运算放大器。R8 Rll，及C2为放大电路的外围组D5为有源器件同等于红外接收管。光信号经过D5转成电信号，并通过U3，U4放大，输出信号V02。修正信号放大电路原理由U5，U6运算放大器。R12 R15，及C3为放大电路的外围组件。D6为有源器件同等于红外接收管。光信号经过D6转成电信号，并通过U5，U6放大，输出信号V03。参见图9，变送模块主板图说明:主板的作用:主板接收光电转换传回的数据,进行处理。同时拥有RS485和4 20mA两种信号输出。参见图10，主板CUP及外围部分电路说明:主板CPU部分:CUP部分由U5 MSP430单片机和，Yl, Y2晶振，C4 C7，C13谐振电容和滤波电容组成。变送模块数据处理原理:变送模块上电后，由光电转化板的有源器件Dl，D2, D3，产生三组红外光，通过光纤传送至光码变送器。经过光码变送器上的码盘后产生3组光码信号，前两组光码信号为计数信号，第三组信号为修正因掉电回零信号。前两组信号通过光纤回到光电转换板，由光电转换板上的有源器件D4，D5接收，转成电信号。在经过光电转换板上的U1，U2运算放大器。R4 R7，及Cl组成的放大电路。和U3，U4运算放大器。R8 R11，及C2组成的放大电路输出2组放大后的电信号VOl和V02。VOl和V02进入单片机，当V01，V02产生高电平变送模块数据值加1，反之减I。实现数据的累加及递减。第3组电信号，经过光码变送器的第2个特制码盘(码盘上有6个小孔，平均分布在码盘上，每个小孔的孔径逐渐扩大，使红外光源由弱到强分成6个节点)，第3组光源通过光纤回到光电转换板，由光电转换板上的有源器件D6接收，转成电信号，因为每个节点的光源强度都对应一个电压值，所以当第2码盘转一圈就得到6个电压值，电压值经过U5，U6运算放大器。R12 R15，及C3组成的放大电路输出6个放大后的电压值V03，V03进入单片机对应全量程中的6个量程值。变送模块因意外掉电后，重新上电后时。因增量编码器的特点，数据回零重新计数。当编码器的第2码盘转到6个节点中的其中一个时，对应得到相应的电压值，单片机得到电压值后，得到对应输出量程值。得到量程值后单片机对现有量程进行修正，得到真实的量程值。4一20mA绝对值码盘，码盘上的光栅孔NI — Ni是一个由小到大的变化过程，NI是III号光路器可以接收到的最小光信号，Ni是III号光路器可以接收到的最大光信号，最小光信号在电路中最后的数据信号为4mA，最大光信号在电路中最后的数据信号为20mA，4一20mA的数据值的范围要根据所在检测机构的具体技术指标来确定，Ni的i为光栅孔的数量，数量过多增加码盘的制造难度，过少又不能达到及时修复增量型编码器数据基点数据的目的，Ni的多少要根据具体的测量机构和被测物质的属性要求而定，也可以根据不同行业要求而定。光栅孔NI — Ni的宽度尺寸是依据电路的感应能力而设定，要与电路的设计相匹配。在选定光敏兀件时考虑光栅孔最小到最大的通光量，最小光栅孔应具有产生4mA的电流，最大光栅孔应具有产生20mA的电流能力，我们为此而专门设计制造一台专用的试验台，在试验上试验得出绝对值码盘NI — Ni的光栅孔的宽度值。在绝对值码盘的工作运行过程中，由机构的原因每个光栅孔的一次读数过程都是一次由小到大在到小的过程，每次的读数是在当时光栅孔的最大通光量值时的读数。这个过程由单片机的程序来控制。由于4一20mA绝对值码盘的每个绝对值的读数与准确机械位置数据存在着一定误差，这个误差是由信号的属性决定的，在现代科技手段下还是无法把它控制在合理的范围内，这就给实现机械式准确的绝对值数据带来了较高的难度，为了实现这一目标我们采取了“取数赋值法”的数据处理方式达到绝对值数据的准确性要求。基本的逻辑关系如下:IF 0 ≥ A ≤ XlG=PlIF Tl ≥ A ≤ X2G=P2::IF Ti ≥ A ≤ XiG=Pi 式中 A— 4一20mA 读数值Xl一i一光栅孔每次读数的最大值的最大数Tl一i一光栅孔每次读数的最大值的最小数G—系统修复用绝对值数据Pl — i 一人工输入绝对值数据T到X的数值范围的作用有两个:一是防止4一20mA数据由于各种原因出现数据连续不上，二是使绝对值数据有一个合理的精度范围，范围越小精度越高，反之越低，可以根据不同的精度要求进行调整。
权利要求1.一种光纤半绝对值编码器，它包括壳体、光码变送机构和光码数据处理模块，其特征是:光码变送机构和光码数据处理模块通过光纤连接在一起，所述光纤一端接在光码变送机构的光路器上，另一端接在光码数据处理模块的PCB板上； 所述光码变送机构包括安装在壳体内的增量型光码机构和绝对值光码机构，增量型光码机构通过齿轮组与绝对值光码机构连接在一起； 所述增量型光码机构包括安装在前轴承座上的前轴，前夹板固定在前轴上，增量型码盘置于两片前夹板之间；在前轴承座上方固定第一光路器和第二光路器，上述两个光路器置于增量型码盘的左右两侧，在第二光路器与增量型码盘之间固定光栅座，在光栅座上固定光栅盘； 所述绝对值光码机构包括安装在后轴承座上的后轴，后夹板固定在后轴上，绝对值码盘置于两片后夹板之间；在后轴承座上方固定第三光路器和第四光路器，上述两个光路器置于绝对值码盘的左右两侧； 所述光码数据处理模块包括单片机，单片机安装在PCB板上，在PCB板还设置有红外发射晶体管和红外接收晶体管，红外发射晶体管和红外接收晶体管与单片机连接。
2.根据权利要求1所述光纤半绝对值编码器，其特征是:在增量型光码机构的前轴承座与前轴之间安装滚动轴承。
3.根据权利要求1所述光纤半绝对值编码器，其特征是:在绝对值光码机构的后轴承座与后轴之间安装滚动轴承。
4.根据权利要求1所述光纤半绝对值编码器，其特征是:所述光路器由光路器壳体和光码传输系统组成；所述光路器壳体呈筒状，光码传输系统安装在光路器壳体内；所述光码传输系统的结构是凸透镜连接在尾纤的一端，尾纤的另一端与光纤连接。
专利摘要本实用新型提供一种光纤半绝对值编码器，所要解决的问题是石油化工的各种油品储罐，对其内部的液位测量难度较大，尤其是安全精确测量；本实用新型包括它包括壳体、光码变送机构和光码数据处理模块，其特征是光码变送机构和光码数据处理模块通过光纤连接在一起；所述光码变送机构包括安装在壳体内的增量型光码机构和绝对值光码机构，增量型光码机构通过齿轮组与绝对值光码机构连接在一起；本实用新型的优点是绝对值编码可自动校正增量型光码数据；当失电后又来电时可以恢复其原点数据，实现了绝对值性质的修复性数据，提高了整体测量机构的操作稳定和方便性；这样就实现了安全测量并且不需要人工到现场测量的目的。
文档编号G01D5/347GK202956166SQ20122057362
公开日2013年5月29日 申请日期2012年11月3日 优先权日2012年11月3日
发明者刘万更 申请人:刘万更