一种位置探测器及其探测方法与流程

本发明涉及位置检测领域，具体地，涉及一种位置探测器及其探测方法。

背景技术：

在一些情况下的位置检测系统中，通常采用包含有CCD相机的成像光学系统，CCD包括了线阵的和面阵的，通过获取图像信息并进行进一步的图像处理后可获得相关的位置信息。这样的系统组成及使用相对复杂，位置信息获取实时性也相对较慢，如果多系统同时使用并要求严格的同步时，还存在数据的同步获取问题。针对一些特定的情况下的位置检测要求，例如在一种使用L型线光源作为指示光源的系统中，需要通过对照射到探测器上的L型分布的线光源的位置进行测量，其中的探测器是用两片线阵CCD以相互垂直的方式安装构成的，虽然这两片线阵CCD是以并行驱动的方式工作，但在这样的探测器中也存在如下问题：由于CCD是以数字电路驱动的，且CCD空间采样具有离散性，其获取原始数据具有工作周期的限制、位置信息需要进一步的数据处理后才能够获得的，实时性相对较慢；而如果采用大面积的CCD相机或其它大面积的探测器，则存在费用高昂的问题，并且探测面积不一定能够满足要求，实时性也较差。而对于系统中使用了较多这样的探测器并且需要各探测器间同步、数据获取高的实时性要求的话，采用这样的CCD系统就无法满足要求了。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的位置检测系统存在实时性较差、成本较高的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种位置探测器及其探测方法，解决了现有的位置检测系统存在实时性较差、成本较高的技术问题，实现了位置探测器及其探测方法设计合理，实时性较好、输出信号速度快、成本较低的技术效果。

为解决上述技术问题，一方面本申请提供了一种位置探测器，所述位置探测器包括：

第一一维位置敏感器、第二一维位置敏感器、标准位置处理电路、位置信号定标电路、位置信号偏置处理电路，其中，第一一维位置敏感器、第二一维位置敏感器均与标准位置处理电路连接，标准位置处理电路与位置信号定标电路连接，位置信号定标电路与位置信号偏置处理电路连接，第一一维位置敏感器的一端与第二一维位置敏感器的一端之间的夹角为90度，2个一维位置敏感器将获得的输出电流信号传输给标准位置处理电路进行信号的加、减法运算及除法运算的处理，并获得位置指示信号，然后将该位置指示信号传输给位置信号定标电路进行标定系数的校正处理以获得与实际位置大小相一一对应的位置指示信号，然后再将位置信号定标电路处理后的信号传输给位置信号偏置处理电路进行位置信号初始原点的偏置处理以获得坐标原点被重置了的位置信号，并最后从输出端输出位置信号供显示或进一步的数据处理。

其中，本申请提供的L型位置探测器包括了在长度方向上相互垂直安装在同一个平面内的两个一维位置敏感器(简称一维PSD)及其信号处理线路，每一个方向上的一维PSD可以提供该方向上的位置信息，因此两个相互垂直的一维PSD可以提供平面内的二维坐标信息，而信号处理线路中为了获得绝对位置的数据，同时设置了可以调零的位置偏置电路及显示定标系数的调整电路，满足显示数据与实际位置一致的要求。

其中，所述位置探测器还包括电路板和外壳，第一一维位置敏感器、第二一维位置敏感器、标准位置处理电路、位置信号定标电路、位置信号偏置处理电路均固定在电路板上，电路板固定在外壳内。

其中，所述标准位置处理电路为现有技术中的电路，标准位置处理电路具体包括：加法电路、减法电路及除法电路。首先将由第一及第二一维位置敏感器输出的电流信号分别进行加法及减法运算，并同时转换为电压信号，采用高精度的运算放大器AD704可实现高精度的加减法运算；然后将减法电路获得的信号除以加法电路获得的信号，即可获得位置指示电压信号，除法电路可以采用单片集成电路如AD734来实现。

其中，所述位置信号定标电路包括：第一运算放大器、第一电阻、位置显示刻度调节电阻，其中，第一运算放大器的同相输入端与标准位置处理电路的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与第一电阻的一端、接地电阻均连接，第一运算放大器的输出端与第一电阻的另一端、位置显示刻度调节电阻第一端均连接，位置显示刻度调节电阻的调节端与位置信号偏置处理电路的输入端连接，位置显示刻度调节电阻第二端接地，第一电阻的阻值可调。

其中，所述位置信号偏置处理电路具体包括：位置偏置设置调节电阻、第二运算放大器、位置输出信号端，其中，第二运算放大器的同相输入端与位置显示刻度调节电阻的调节端、位置偏置设置调节电阻的调节端均连接，第二运算放大器的反相输入端与接地电阻连接，第二运算放大器的输出端与位置输出信号端连接，位置偏置设置调节电阻第一端和第二端分别与电源的正负极连接。

另一方面，本申请还提供了一种位置探测方法，所述方法包括：

步骤1：利用相互垂直的2个一维位置敏感器获得与位置有对应关系的电流信号；

步骤2：利用标准位置处理电路对获得的位置对应电流信号进行加法、减法及除法处理并同时转换为位置对应的电压信号；

步骤3：利用位置信号定标电路对步骤2处理后的信号进行标定系数的处理，获得与实际位置大小一致的位置电压信号；

步骤4：利用位置信号偏置处理电路对步骤3处理后的信号进行位置信号初始原点的偏置处理以获得坐标原点被重置了的位置信号，并最后从输出端输出位置信号供显示或进一步的数据处理。

进一步的，所述标准位置处理电路具体包括：：加法电路、减法电路及除法电路。首先将由第一及第二一维位置敏感器输出的电流信号分别进行加法及减法运算，并同时转换为电压信号，采用高精度的运算放大器AD704可实现高精度的加减法运算；然后将减法电路获得的信号除以加法电路获得的信号，即可获得位置指示电压信号，除法电路可以采用单片集成电路如AD734来实现。

进一步的，所述位置信号定标电路包括：第一运算放大器、第一电阻、位置显示刻度调节电阻，其中，第一运算放大器的同相输入端与标准位置处理电路的输出端连接，第一运算放大器的反相输入端与第一电阻的一端、接地电阻均连接，第一运算放大器的输出端与第一电阻的另一端、位置显示刻度调节电阻第一端均连接，位置显示刻度调节电阻的调节端与位置信号偏置处理电路的输入端连接，位置显示刻度调节电阻第二端接地，第一电阻的阻值可调。

进一步的，所述位置信号偏置处理电路具体包括：位置偏置设置调节电阻、第二运算放大器、位置输出信号端，其中，第二运算放大器的同相输入端与位置显示刻度调节电阻的调节端、位置偏置设置调节电阻的调节端均连接，第二运算放大器的反相输入端与接地电阻连接，第二运算放大器的输出端与位置输出信号端连接，位置偏置设置调节电阻第一端和第二端分别与电源的正负极连接。

本申请解决其技术问题所采用的技术方案是：将两片单个的一维位置敏感器件按照长度方向以相互垂直的方向进行安装固定，使得两个一维的方向呈现L型形状分布。在信号处理线路方面，在采用位置信号处理线路实时地获得位置输出电信号的基础上，再增加一个独立的位置偏置调节处理线路及独立的定标系数调整电路，完成将一维位置敏感器件输出的位置信号是相对于其中间位置的偏差转换成是相对于其一端偏差的功能，从而便于确定指示光源的实际相对位置，这种功能也可以使其位置输出信息是相对于有效范围内任何位置的偏差；而定标系数调整电路的设置主要解决了位置输出处理信号在显示时与实际关系的一致性问题。这两个独立设置的处理电路便于调节功能的单独执行及使显示数据的意义直接明了。

本申请中的技术方案利用驱动简单、使用方便的一维器件构成了二维的位置探测功能，利用运算电路简化了信号处理的线路复杂程度，并输出位置相对应的模拟电压信号，可直接获取位置信息及进行实时显示，采用位置敏感器件相比其它位置探测系统而言，大幅度提高了探测器位置信息输出的实时性。多个探测器同时使用时，无需进行关联的驱动，即可以同时获得位置信息。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的有益效果是，利用一种由一字型激光指示线状光源组合成交叉形式作为指示光源，并采用位置探测器，通过采用处理电路对其中的探测器的输出信号进行处理而获得线状光源在探测器上的准确位置，这种方式避免了采用线阵CCD或面阵CCD所需要的复杂的信号驱动线路及高要求的输出信号处理技术，具有输出信号速度快、高的实时性的特点；并且基于硬件工作速度快的特点，提高了探测器输出信号的实时性；采用的器件无需复杂的数字电路信号驱动，其输出信号的处理采用了相对简单的运算放大器电路，输出位置信号的意义明显直接，无需进一步的数据处理及转换，简化了信号处理步骤；探测器直接输出位置信号，实时性强，多探测器同时使用时，不存在同步驱动的问题，降低了单个及多个探测器使用难度，所以，有效解决了现有的位置检测系统存在实时性较差、成本较高的技术问题，进而实现了位置探测器及其探测方法设计合理，实时性较好、输出信号速度快、成本较低的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1a-b是本申请中位置探测器表面布局示意图；

图2是本申请中位置探测器中信号处理流程示意图；

图3a-b是本申请中指示光线在一维PSD上的位置示意及定标系数的校正示意图；

图4a-c是本申请中位置坐标原点重置的几种情况示意图；

其中，1-一维位置敏感器，2-壳体，3-坐标系，4-光线，5-电路板，6-电子元件，7-接口，8-一维位置敏感器中心位置，9-标准位置处理电路，10-第一运算放大器，11-第一电阻，12-位置显示刻度调节电阻，13-位置偏置设置调节电阻，14-第二运算放大器，15-位置输出信号端。

具体实施方式

本发明提供了一种位置探测器及其探测方法，解决了现有的位置检测系统存在实时性较差、成本较高的技术问题，实现了位置探测器及其探测方法设计合理，实时性较好、输出信号速度快、成本较低的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请中的技术方案具体为：

L型位置探测器的结构实现：将两片一维位置敏感器1即(一维PSD器件)按照相互垂直、并呈现L型的形式焊接固定安装在电路板5上，而整个电路板5则安装在一个壳体2内，如图1a-b所示，电路板5上的电子元件6等全部设计在PSD器件安装的背面，电路板上包含了所有的信号处理电路，输出位置信号通过安装在壳体2上的接口7输出，接口7不限于安装在壳体2的后面，也可以安装于壳体2的侧面等位置处，壳体2不限于圆形、方形等形状，满足安装、稳固的要求即可。

L型位置探测器的用途：本探测器是配合由一种一字型激光指示光源交叉构成的指示光线进行位置探测的，并以低成本实现针对一种面积比较大的范围内的探测，一字型的指示激光光源可以采用用鲍威尔棱镜构成的简易型的商业化通用指示器具。指示光源的构成要求如图1中的光线4所示，它是由相互垂直的两个长条形的线状光线组成，两个光线分别落在两个一维PSD上，通过处理获得光线在一维PSD上的位置，从而获得两个指示光线光源交叉点的位置。

位置信号的处理：对于一维的PSD探测器而言，只需要提供一个高稳定度、高精度的电源即可工作，可以采用如AD581这样的集成电压源，因此，其驱动电路极为简单。光线落在其表面离一维位置敏感器中心位置8的距离为X处，一维PSD探测器则输出两个电流信号Ix1、Ix2，对这两个电流信号通过标准的位置信号处理电路9即可获得位置X对应的电压信号，该电压信号就代表了光线在PSD表面上的位置X：

$X=\frac{L}{2}\·\frac{Ix2-Ix1}{Ix1+Ix2}$

其中L是PSD器件的有效长度。位置信号的输出是实时的，仅与电路速度相关，而这样的信号处理电路的速度一般均可以达到μS量级，因此，对于位置探测而言是一个极快的速度。在这样的标准处理电路中，获得的位置信号是相对于探测器中间位置的，适用于坐标系3的坐标原点在中间的情况；大量的实际数据显示，这样处理获得的位置信息与实际位置之间可能存在一个系数定标的关系，例如，位置输出信号为+0.1V，代表位置为1mm，但实际位置可能是1.01mm，这就需要对此进行修正，这就是位置信号的定标。其次，当在实际应用系统中要求坐标系3的坐标原点位于两个PSD的交点位置时，如图1所示的位置，则需要对输出信号进行进一步的处理以直接获得满足这样要求的位置信息及显示要求，这就是位置信号的偏置处理。

位置信号的定标：在图2中，对应于位置X的输出信号经过标准位置处理电路9处理后可获得光线在PSD上的位置信号，但实际输出信号可能是X′，而不是X，如图3中所示；标准的转换关系如图3中的直线A，实际的转换关系如图3中直线B，一般而言，这两个信号间的差别也许不太大，且具有一定的比例关系，但在精密位置测量中，需要进一步进行校正或定标。针对该信号的定标，采用了图2中由第一运算放大器10、第一电阻11、位置显示刻度调节电阻12等组成的位置信号定标电路来进行。根据输出信号情况(相当于标定系数大于1或小于1等)，调节第一电阻11首先获得一个涵盖了可能的调节范围的位置关联系数，再调节位置显示刻度调节电阻12获得最终的位置定标系数，通过第一电阻11及位置显示刻度调节电阻12的联合调节，一般而言可以将实际转换关系B定标到理想的转换关系A上，如图3a-b所示，从而获得与实际位置一致的输出信号数字或显示效果。

位置信号的偏置处理：在获得了准确的位置定标系数后，采用了图2中由第二运算放大器14、位置偏置设置调节电阻13等组成的位置信号偏置处理电路来进行，这是一个原理简单的加法电路。在位置偏置设置调节电阻13两端施加范围足够的正负稳压电压，通过调节位置偏置设置调节电阻13，在第二运算放大器14的输出端即可获得偏移了的位置输出信号端15，通过电缆将位置输出信号端15连接到输出接口7上，可供外部数据采集或表头面板进行位置的直接显示。位置信号偏置的目的主要是尽量将测量结果与感觉效果一致，或者满足相当于测量系统调零的要求，以获得任何位置处可以作为测量起点的效果。其一种偏置处理效果如图4中的中间图所示，它是将坐标原点偏置到了两个位置敏感器件的交叉点处，在这种情况下，最终的显示测量范围的起点与原点还有一点偏离；但实际上可以将坐标原点偏置于有效范围内的任何位置点处，如图4中右边图所示，在这种情况下，最终的显示测量范围的起点与原点一致，且测量范围与器件有效长度一致。

通过上述两个步骤的信号处理，显示的电压信号将与实际位置间的对应关系成为一一对应的关系，并满足不同坐标原点的位置指示要求；而为了提高信号处理的精细程度，运算放大器采用了高精度的运算放大器，可调电阻采用了多圈的精密电位器。采用这样的探测器，其位置信号的处理是实时的，无需进行探测器的关联驱动也可以同时获得多个探测器的位置输出，对于多个探测器需要同时使用的情况具有重要意义，输出信号代表的位置意义是直接的，显示是简单的。

如在本探测器中用线阵CCD代替一维PSD，则相应改变驱动及信号处理线路，同时利用信号的数据处理技术获得测量位置信息，也能够完成同样的位置探测，但在实时性方面则大幅度降低。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明的有益效果是，利用一种由一字型激光指示线状光源组合成交叉形式作为指示光源，并采用位置探测器，通过采用处理电路对其中的探测器的输出信号进行处理而获得线状光源在探测器上的准确位置，这种方式避免了采用线阵CCD或面阵CCD所需要的复杂的信号驱动线路及高要求的输出信号处理技术，具有输出信号速度快、高的实时性的特点；并且基于硬件工作速度快的特点，提高了探测器输出信号的实时性；采用的器件无需复杂的数字电路信号驱动，其输出信号的处理采用了相对简单的运算放大器电路，输出位置信号的意义明显直接，无需进一步的数据处理及转换，简化了信号处理步骤；探测器直接输出位置信号，实时性强，多探测器同时使用时，不存在同步驱动的问题，降低了单个及多个探测器使用难度，所以，有效解决了现有的位置检测系统存在实时性较差、成本较高的技术问题，进而实现了位置探测器及其探测方法设计合理，实时性较好、输出信号速度快、成本较低的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。