基于光电开关的位置感知器的制作方法

本发明涉及测量一个或更多个变量，涉及非专用于特定变量的测量，尤指一种基于光电开关的位置感知器。

背景技术：

飞行、航海或工程应用中，需要精确感知物体离参考点的位置、以及水平和垂直面偏移角度，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。现有技术方法中用陀螺仪感知物体偏转角度，可分为电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪。低精度机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂。中等精度光纤陀螺仪存在零飘、角随机游走(随时间累计误差)、输出延迟等问题，受温度影响大、结构复杂。高精度静电陀螺仪成本高昂，应用不广。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单、工作可靠、制造相对容易的基于光电开关的位置感知器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于光电开关的位置感知器，包括壳体，其特征在于：壳体内安装有MPU控制器以及与该MPU控制器连接的整机人机接口和相互垂直的三轴位置感知装置，所述三轴位置感知装置包括依序安装的X正半轴加速度计、X轴角度感知器、X负半轴加速度计；依序安装的Y正半轴加速度计、Y轴角度感知器、Y负半轴加速度计和依序安装的Z正半轴加速度计、Z轴角度感知器、Z负半轴加速度计。

所述角度感知器均分别包括第一刻度盘、第二刻度盘、无阻尼指针、有阻尼指针、指针支承轴、支架和底座，所述支架安装于底座上，指针支承轴、第一刻度盘和第二刻度盘安装于支架上，有阻尼指针和无阻尼指针可转动地安装于指针支承轴上。

所述的第一刻度盘和第二刻度盘分别包括盘体、光电开关和盘座，盘体安装于盘座上，其周边上均布有若干光电开关。

所述盘体可以是平面状圆盘体，亦可以是半圆柱状盘体。

所述的有阻尼指针包括针体，在该针体上安装有轴承，通过该轴承将针体可转动地安装于指针支承轴上，在所述针体上还安装有指针控制芯片/电池和与该指针控制芯片/电池连接的电磁头、第一无线接口、轴承和激光头，所述第一无线接口与指针支承轴上的第二无线接口相配，完成有阻尼指针与壳体内安装的MPU控制器电能和数据通信。

所述指针支承轴是空心轴，在其轴孔中串有导线，导线通电后产生环形磁场，用于校正无阻尼指针的位置。

所述无阻尼指针结构与有阻尼指针相同。

激光头的焦点落在刻度盘上的光电开关上，可使该光电开关闭合。

X轴、Y轴角度感知器中指针正方向为垂直向下，Z轴角度感知器中指针正方向为北极磁场方向。

所述角感知器中，第一刻度盘和第二刻度盘的盘体可以是半圆柱状盘体。

所述加速度计均分别包括加速度计座，其内安装有刻度尺、永磁体质量块、弹簧、第二电磁体、加速度计控制芯片/电池、第二人机接口(屏幕、外部电源数据口、开机键)、导轨和平衡位置限位器,永磁体质量块上安装有激光头，其可移动地装于导轨上其一端与弹簧连接，另一端受平衡位置限位器限位，所述加速度计控制芯片/电池与第二电磁体、激光头以及第二人机接口电连接。

进一步地，所述加速度计第三无线接口和与之相配的第四无线接口，所述第三无线接口安装于加速度计座上与控制芯片/电池电连接；所述第四无线接口与永磁体质量块固接。

本发明的有益效果是：结构简单、工作可靠、制造相对容易。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的架构示意图。

图2是本发明的第一实施例角度感知器结构示意图。

图3是本发明的刻度盘结构示意图。

图4是本发明的有阻尼指针结构示意图。

图5是本发明的指针支承轴相关结构示意图。

图6是本发明第一实施例半轴加速度计架构示意图。

图7是本发明第二实施例角度感知器的结构示意图。

图8是本发明第二实施半轴加速度计架构示意图。

图1中：1.1为X正半轴加速度计、1.2为X轴角度感知器、1.3为X负半轴加速度计、2.1为Y正半轴加速度计、2.2为Y轴角度感知器、2.3为Y负半轴加速度计、3.1为Z正半轴加速度计、3.2为Z轴角度感知器、3.3为Z负半轴加速度计、4为MPU控制器、5为整机人机接口、6为壳体。

在图2(角度感知器)中：1.2.1为第一刻度盘、1.2.2为无阻尼指针、1.2.3为指针支承轴、1.2.4为支架、1.2.5为底座、1.2.6为有阻尼指针、1.2.7为第二刻度盘。

在图3(刻度盘)中：1.2.1.1为光电开关、1.2.1.2为平面状圆盘体、1.2.1.3为盘座。

在图4(有阻尼指针)中：1.2.2.0为针体、1.2.2.1为电磁头、1.2.2.2为指针控制芯片/电池、1.2.2.3为第一无线接口、1.2.2.4为轴承、1.2.2.5为激光头。

在图5中：1.2.3.2为第二无线接口、1.2.3.3为导线。

在图6(半轴加速度计)中：1.1.1为刻度尺、1.1.2为永磁体质量块、1.1.3为弹簧、1.1.4为第二电磁体、1.1.5为加速度计座，1.1.5.1为加速度计控制芯片/电池、1.1.5.3为第二人机接口、1.1.5.4为导轨、1.1.5.5为平衡位置限位器,在永磁体质量块1.1.2中：1.1.2.2为激光头。

在图8中，1.1.5.2为第三无线接口、1.1.2.1为第四无线接口。

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于光电开关的位置感知器，包括壳体6，其特征在于：壳体6内安装有MPU控制器4以及与该MPU控制器连接的整机人机接口5和相互垂直的三轴位置感知装置，所述三轴位置感知装置包括依序安装的X正半轴加速度计1.1、X轴角度感知器1.2、X负半轴加速度计1.3；依序安装的Y正半轴加速度计2.1、Y轴角度感知器2.2、Y负半轴加速度计2.3；依序安装的Z正半轴加速度计3.1、Z轴角度感知器3.2、Z负半轴加速度计3.3。

参见图2，所述角度感知器1.2、2.2、3.2均分别包括第一刻度盘1.2.1、第二刻度盘1.2.7、无阻尼指针1.2.1、有阻尼指针1.2.6、指针支承轴1.2.3、支架1.2.4和底座1.2.5，所述支架1.2.4安装于底座1.2.5上，指针支承轴1.2.3、第一刻度盘1.2.1和第二刻度盘1.2.7安装于支架1.2.4上，有阻尼指针1.2.1和无阻尼指针1.2.6可转动地安装于指针支承轴1.2.3上。

参见图3，所述的第一刻度盘1.2.1和第二刻度盘1.2.7分别包括盘体1.2.1.2、光电开关1.2.1.1和盘座1.2.1.3，平面状圆盘体1.2.1.2安装于盘座1.2.1.3上，其周边上均布有若干光电开关1.2.1.1。

在本发明第一实施例中，参见图3，所述盘体1.2.1.2是平面状圆盘体。

在在本发明第二实施例中，参见图7，所述盘体1.2.1.2是球面状体。

参见图4，所述的有阻尼指针1.2.2包括针体1.2.2.0，在该针体上安装有轴承1.2.2.4，通过该轴承将针体可转动地安装于指针支承轴1.2.3上，在所述针体上还安装有指针控制芯片/电池1.2.2.2和与该指针控制芯片/电池连接的电磁头1.2.2.1、第一无线接口1.2.2.3、轴承1.2.2.4和激光头1.2.2.5，所述第一无线接口1.2.2.3与指针支承轴1.2.3上的第二无线接口1.2.3.2相配，完成有阻尼指针与壳体6内安装的MPU控制器4电能和数据通信。

参见图5，所述指针支承轴1.2.3是空心轴，在其轴孔中串有导线1.2.3.3，导线通电后产生环形磁场，用于校正无阻尼指针的位置。

激光头1.2.2.5的焦点落在刻度盘1.2.1上的光电开关1.2.1.1上，可使该光电开关闭合。

X轴、Y轴角度感知器中指针正方向为垂直向下，Z轴角度感知器中指针正方向为北极磁场方向。

所述无阻尼指针1.2.1结构与有阻尼指针1.2.2相同。

角度感知器工作过程如下：

(1)启动：接到MPU控制器4的指令后，角度感知器开始进入测量，如果满足校正条件先进行校正再进行测量。

(2)测量：指针控制芯片/电池1.2.2.2、第二无线接口1.2.3.2、第一无线接口1.2.2.3，指针控制芯片/电池1.2.2.2启动激光头1.2.2.5工作，光电开关1.2.1.1中接受到激光照射的光电开关闭合并将闭合光开关编号通过盘座1.2.1.3接口传至指针控制芯片/电池1.2.2.2，指针控制芯片/电池1.2.2.2将编号处理后转成偏转角度输出至MPU控制器4。

测量过程中，无阻尼指针1.2.2始终竖直向下，第一刻度盘1.2.1、指针支承轴1.2.3、支架1.2.4、盘座1.2.5随被测物发生相同的偏转角度。

(3)校正：出厂时或仪器静止(偏转角度不变)，可以先进行校正操作。有阻尼指针1.2.6竖直向下，指针控制芯片/电池1.2.2.2启动有阻尼指针1.2.6的激光头工作并读取第二刻度盘1.2.7中闭合的光电开关编号并计算输出偏转角，与从第一刻度盘1.2.1中闭合的光开关编号并计算输出偏转角进行比较，如果相同则校正结束。

指针控制芯片/电池1.2.2.2启动由导线1.2.3.3形成的环形磁场建立无阻尼指针、盘面环形磁场，并通过第二无线接口1.2.3.2、第一无线接口1.2.2.3、指针控制芯片/电池1.2.2.2控制电磁头1.2.1.1产生磁场大小和方向，无阻尼指针1.2.2受到环形磁力矩发生偏转直至与有阻尼指针1.2.6位置一致。

(4)说明：在有阻尼指针1.2.6中配置电磁头能加快有阻尼指针静止；而对于测量地球北极磁场偏转角(刻度盘平面放置)时无阻尼指针1.2.2的电磁头产生磁场方向沿无阻尼指针1.2.2方向，有阻尼指针1.2.6中必须配置电磁头且其产生磁场方向与有阻尼指针1.2.6同向，没有环形磁场发生。

参见图6，所述加速度计1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均分别包括加速度计座1.1.5，其内安装有刻度尺1.1.1、永磁体质量块1.1.2、弹簧1.1.3、第二电磁体1.1.4、加速度计控制芯片/电池1.1.5.1、第二人机接口1.1.5.3(屏幕、外部电源数据口、开机键)、导轨1.1.5.4和平衡位置限位器1.1.5.5,永磁体质量块1.1.2上安装有激光头1.1.2.2，其可移动地装于导轨1.1.5.4上其一端与弹簧1.1.3连接，另一端受平衡位置限位器1.1.5.5限位，所述加速度计控制芯片/电池1.1.5.1与第二电磁体1.1.4、激光头1.1.2.2以及第二人机接口1.1.5.3电连接。

工作时：

正常状态：加速度计座1.1.5与被测物安装牢固，永磁体质量块1.1.2被第二电磁体1.1.4牢牢吸住；

释放磁场：控制芯片/电池1.1.5.1向第二电磁体1.1.4发“断开磁场”命令，第二电磁体1.1.4产生磁场为零，永磁体质量块1.1.2开始向右运动(不超过1mm)；

读取刻度：永磁体质量块1.1.2运动中，刻度尺1.1.1接受激光头1.1.2.2发出激光而闭合的光电开关不同(图6中为-2号光电开关闭合)，且闭合光电开关编号被控制芯片/电池1.1.5.1读取；

计算数值：控制芯片/电池1.1.5.1根据读取光电开关的编号和时刻，计算永磁体质量块1.1.2新的平衡位置Δx对应的光电开关编号Ni(见公式1-1至1-3)，计算加速度为KN_iΔL/m并将结果输出至第二人机接口1.1.5.3，其中K为弹簧1.1.3弹性形变系数，ΔL为单个光开关尺寸(50nm)，m为永磁体质量块1.1.2的质量、Ni为刻度尺标度。

其中k为弹簧1.1.3弹性形变常数，E为质量块具有的机械能(动能和弹性势能)总和，L为最大量程的一半，x、v为质量块任意一时刻偏离0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx为新的平衡位置，对应的光电开关编号Ni为为正说明加速度向右，为负说明加速度向左。

施加磁场：控制芯片/电池1.1.5.1根据永磁体质量块1.1.2和速度向第二电磁体1.1.4施加强电流迫使永磁体质量块1.1.2先加速向左后减速向左，最后将永磁体质量块1.1.2牢牢吸于平衡位置限位器1.1.5.5。

参见图8，在本发明的第二实施例中，所述加速度计1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均还包括第三无线接口1.1.5.2和与之相配的第四无线接口1.1.2.1，所述第三无线接口1.1.5.2安装于加速度计座1.1.5上与控制芯片/电池1.1.5.1电连接；所述第四无线接口1.1.2.1与永磁体质量块1.1.2固接。

工作过程如下：

(1)测量：一次采样过程如下

①释放磁场：加速度计控制芯片/电池1.1.5.1关闭第二电磁体1.1.4电流，截断其磁场，永磁体质量块1.1.2向右移动一段微小距离(速度变小或停止的位移，一般不超过0.5mm)；

②读取刻度：加速度计控制芯片/电池1.1.5.1通过第三无线接口1.1.5.2与第四无线接口1.1.2.1点亮激光头1.1.2.2，并读取和记录永磁体质量块1.1.2移动时光电开关1.2.1.1中受激光照射闭合光电开关的编号和时刻；

③求取加速度：加速度计控制芯片/电池1.1.5.1根据读取的光电开关1.2.1.1编号和时刻，求取永磁体质量块1.1.2新的平衡位置Δx对应的光电开关编号Ni，则测出的加速度为KN_iΔL/m并将结果输出至第二人机接口1.1.5.3，其中K为弹簧1.1.3弹性形变系数，ΔL为单个光开关尺寸(50nm)，m为永磁体质量块1.1.2的质量、Ni为刻度尺标度。

其中k为弹簧1.1.3弹性形变常数，E为质量块具有的机械能(动能和弹性势能)总和，L为最大量程的一半，x、v为质量块任意一时刻偏离0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx为新的平衡位置，对应的光电开关编号Ni为

④施加磁场：加速度计控制芯片/电池1.1.5.1根据读取的刻度求出永磁体质量块1.1.2位置和速度，向第二电磁体1.1.4施加强电流迫使永磁体质量块1.1.2先加速向左后减速向左，在平衡位置处速度为零，最后加强磁场将永磁体质量块1.1.2牢牢固定于平衡位置限位器处1.1.5.5。

(2)校正：出厂时或仪器静止(加速度不变)，可以通过第二人机接口1.1.5.3向加速度计控制芯片/电池1.1.5.1发校正命令。此时测量出平衡位置对应的光电开关编号并整体修正刻度尺编号(整体-)。

(3)说明：本方案中激光头1.1.2.2和光电开关1.2.1.1刻度尺位置可互换，永磁体1.1.2.3和第二电磁体1.1.4位置可互换，弹簧1.1.3提供的弹力可用电磁力、电场力代替。

将三个单轴加速度计(或六个半轴加速度计)和三个单轴角度感知器按本发明的布置可做成三轴位置传感器，进行全方位空间位置感知。