专利名称：曲线位移传感器系统及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种曲线位移传感器，具体地说，是涉及一种高精度数字式曲线位移 传感器。
背景技术：
位移检测技术是一门不断发展的技术，随着科学技术的飞速发展，在工业生产和 科学研究过程中，对位移检测的精度、速度等要求也越来越高，特别是高精度位移的数字式 非接触式检测。传感器与新兴技术的结合也大大扩展了传统传感器的研究与运用。位移测 量是测量技术中最基本的项目之一，在工程运用中非常广泛，具有非常重要的位置。因此， 寻求简单实用、操作方便、适应范围广、经济性好的位移传感器对促进工业生产发展具有重 要现实意义。目前市场上具有高性价比的曲线位移传感器十分有限，常用的角位移及直线位移 传感器均不能直接用作高精度曲线位移检测。所以，高精度曲线位移传感将在未来得到重 视与发展。曲线位移传感器主要运用于一些不规则材料和结构的精确测量和装配、曲线加 工(焊接、切割、雕刻等)时动力头的闭环控制等领域。该类传感器兼容了直线和角度和测 量，并在曲率检测方面有所发展，在工业生产、航天航海、新型材料以及军事军工等领域可 以被广泛运用。曲线位移高精度测量是机械量测量中的难点，一般采用如下几种方法①间接测量法通过对驱动机构的位移测量而计算出终端曲线位移。驱动机构一般有电动、驱动 和液动三种。以电动驱动机构最为常见，两电机通过齿轮丝杆等传动装置可实现终端平面 曲线运动，三电机通过齿轮丝杆等传动装置可实现终端三维空间曲线运动。通过在电机上 加装光电编码器或在传动机构上加装光栅尺可完成每个自由度的位移检测，并最终换算成 系统末端的曲线位移。采用该方法，无法克服传动机构回程误差、间隙误差等影响，而且光 电编码器或光栅尺的分辨率及精度直接决定了曲线位移检测精度。在许多只知道系统末端 移动信息，而不清楚传动机构情况的实际工况下，该方法不具通用性。②直接测量法直接测量法一般采用滚轮固定在被测物上沿曲线运动，采用传感技术将曲线上位 移通过滚轮转换为模拟信号或数字信号。该方法简便易行，但许多曲线移动系统末端工况 不允许安装滚轮，或者末端悬空使滚轮无法与参照物相接触，使该方法具有较大的局限性。随着数字图像处理技术的发展，采用图像传感器及图像处理技术检测曲线位移越 来越吸引着研究者的关注。图像传感器(XD(Charge Couple Device)分为一维的和二维的， 前者用于位移、尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传递。工业生产过程中曲线位移的 测量，可利用一维CCD器件实现。首先借助光学成像法将被测物的未知曲线长度投影到CCD 器件上，再根据总像素数目和被物像遮掩的像素数目，计算出被测曲线长度。视觉传感器 提供的信息量丰富，适应能力强，但造价高，使其应用受到一定限制。而且在光干扰较强的
3工况下，如测量焊接切割系统末端曲线位移时，图像处理算法复杂，信息处理时间长、实时性差。
发明内容
本发明提供一种测量范围大、结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率高、 无须调零的曲线位移传感器系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种曲线位移传感器系统，其特征是包括随曲线移动的物体一起移动的动传感 器，另有起对动传感器的移动信号作参照作用的静传感器装置，通过动传感器和/或静传 感器的高频脉冲数表征位移大小。所述的曲线位移传感器系统，有随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器，另 有左、右勻速同步电机，左、右勻速同步电机的旋转方向相同，左、右勻速同步电机的输出轴 上分别连接具有对红外光反光作用、并随电机输出轴转动的反光棒，反光棒的旋转平面与 电机输出轴垂直，电机输出轴轴心为反光棒旋转平面圆心，两个反光棒的旋转平面具有相 互重叠的区域，该重叠区域为物体移动的有效检测区，即被测物体的移动范围在上述重叠 区域内；有一个静传感器固定在左、右勻速同步电机之间；所述动传感器、静传感器均为反 射式单光束红外光电传感器。动传感器、静传感器分别与比较器连接，比较器与单片机连 接，单片机通过I/O 口输出控制信号给FPGA的计数器�？椋üテ谙吒叩偷缙降淖� 换实现技术和锁存功能的切换，锁存器把数据返回单片机，单片机经过计算把结果输出显 示。在有强光干扰的工况下使用时，可采用霍尔传感器、涡流传感器等其它种类的位置传 感器代替反射式光电传感器。将霍尔元件、涡流线圈(涡流探头)等敏感元件安装于曲线 轨道(轨迹)上，安装位置同反射式光电传感器，将反光棒替换为磁场发生装置或涡流片， 将敏感元件的输出作为位置信号。所述的曲线位移传感器系统，有随曲线移动的被测物体一起移动的随动式动传感 器，另有左、右勻速同步电机，左、右勻速同步电机的输出轴上分别固装第一、第二动传感 器，第一、第二动传感器为光电发射器，左、右勻速同步电机的外壳上分别固装第一、第二静 传感器，第一、第二静传感器为光电接收器件，随动式动传感器在一圈360度范围内安装若 干个光接收器件，保证被测物体在任何位置下均可接收到第一、第二动传感器发出的光信 号；第一、第二静传感器的安装位置为能分别接收到第二、第一动传感器发出的光信号的位 置。所述的曲线位移传感器系统，有随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器，动 传感器固定在同步勻速电机轴上，跟随电机同步勻速旋转，同步电机固定在被测物体上，跟 随物体同步运动，另有第一、第二静传感器固定在被测物体曲线位移轨道两侧；所述动传感 器是光电发射传感器，第一、第二静传感器为光电接收传感器，动传感器发出的光束轴线旋 转形成的平面与电机轴线垂直。动传感器、静传感器分别与比较器连接，比较器与单片机连接，单片机通过I/O 口 输出控制信号给FPGA的计数器�？椋üテ谙吒叩偷缙降淖皇迪旨际鹾退婀� 能的切换，锁存器把数据返回单片机，单片机经过计算把结果输出显示。一种曲线位移传感器系统的用途，其特征是用于检测曲线位移或检测曲率大�。觳馇蚀笮∈保ü垂獍粜瓒衅饕贫讨械娜龅悖捎昧蕉挝⒅毕吣� 合圆�。捎酶咂德龀逄畛洳⒔岷先呛怂愕玫角拾刖都扒蚀笮�。一种曲线位移传感器的用途，其特征是通过在被测物体上安装直线位移传感器， 以任意一个与电机轴线垂直的平面为参考，检测被测物体与该平面间的位移变化，通过立 体几何计算可确定被测物体在三维空间中的轨迹，即可实现三维空间曲线位移检测。本发明所述的高精度数字式曲线位移传感器的有益效果主要表现在1.结构简单，加工方便，实现数字化非接触式检测。成本低，利于批量生产。2.测量范围大。3.除了高精度曲线位移检测外，可实现高精度曲率检测。对传感器进行简单改造 即可实现三维曲线位移检测。4.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。5.测量前无须调零，方便了检测过程。
图1是本发明所述的曲线位移传感器实施方案1本体结构图；图2是本发明所述的曲线位移传感器实施方案1测量原理俯视简图1 ；图3是本发明所述的曲线位移传感器实施方案1测量原理时序图1 ；图4是本发明所述的曲线位移传感器实施方案1测量原理俯视简图2 ；图5是本发明所述的曲线位移传感器实施方案2本体结构图；图6是本发明所述的曲线位移传感器实施方案2测量原理俯视简图1 ；图7是本发明所述的曲线位移传感器实施方案2测量原理时序图1 ；图8是本发明所述的曲线位移传感器实施方案2测量原理俯视简图2 ；图9是本发明所述的曲线位移传感器实施方案2测量原理时序图2 ；图10是本发明所述的曲线位移传感器实施方案3本体结构图；图11是本发明所述的曲线位移传感器实施方案3测量原理俯视简图；图12是本发明所述的曲线位移传感器实施方案3测量原理时序图；图13是本发明所述的曲线位移传感器采用实施方案1进行曲率测量原理俯视图；图14是本发明所述的曲线位移传感器曲率检测理想模型图；图15是本发明所述的曲线位移传感器接口电路中ST188红外传感器接口电路框 图；图16是本发明所述的曲线位移传感器接口电路框图；图17是本发明所述的曲线位移传感器接口电路中传感器与单片机连接电路；图18是本发明所述的曲线位移传感器接口电路中单片机与FPGA连接电路；图19是本发明所述的曲线位移传感器接口电路中FPGA计数及锁存仿真电路图；图20是本发明所述的曲线位移传感器接口电路中FPGA计数仿真结果。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1(即实施方案1)有随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器1，另有左、右勻速同步电机3、 4(即电机A、B)，左、右勻速同步电机的旋转方向相同，左、右勻速同步电机的输出轴上分别 连接具有对红外光反光作用、并随电机输出轴转动的反光棒(称为铝棒或金属棒)5、6(即 铝棒A、B)，反光棒的旋转平面与电机输出轴垂直，电机输出轴轴心为反光棒旋转平面圆心， 两个反光棒的旋转平面具有相互重叠的区域，该重叠区域为物体移动的有效检测区，即被 测物体的移动范围在上述重叠区域内；有一个静传感器2固定在左、右勻速同步电机3、4之 间；所述动传感器1、静传感器2均为反射式单光束红外光电传感器。当金属棒经过反射式光电传感器时，传感器的接口电路红外发射管发出的光经反 射，传感器接收管信号经可输出一高电平脉冲。当金属棒不经过反射式光电传感器时，接收 端输出低电平。如图1所示，被测物体在运行轨道(轨迹)上移动，动传感器(反射式光电 传感器)跟随被测物体运动，静传感器(反射式光电传感器)固定在两同步电机轴心连线 上。加工时为了使电机旋转时平稳，铝棒采用对称方式固定在电机轴上。(1)当被测物体移动方向靠近静传感器时如图2所示，即被测物体由MO移动到M3直至轴心连线这一过程。本传感器适用 于被测物体缓慢移动的场合，特别适用于物体步进移动场合。设移动物体是步进的，初始位 置在M0，在测量前先启动同步电机带动铝棒，铝棒经过动传感器和静传感器会有两个脉冲 信号输出。由于有两个电机同速带动两铝棒旋转，且使两铝棒经过静传感器存在时差，则可 记录下两组信号，如图3所示。在物体没有运动前，A、B两电机3、4带动铝棒转动，铝棒经过动传感器和静传感器 时，产生脉冲信号，记为TO时刻的脉冲信号。设以两个转轴心为参照的动传感器与静传感 器之间的初始相位角可以分别记为αο、β O(见图2)。过动传感器时启动高频脉冲计数， 静传感器时停止计数。设A、B电机转动一个周期内填充高频脉冲N个，N值即为两个连续 静传感器脉冲间的高频脉冲数。则由TO时刻记录下高频脉冲个数NAO与NBO与周期内总 脉冲个数N之比可以确定物体初始位置与静传感器之间相对于两电机轴心A、B的相位角 α O、β O。同理根据记录数据ΝΑ1、ΝΒ1、ΝΑ2、ΝΒ2……可以得到Τ1、Τ2等时刻动传感器对于 两轴心为参考与静传感器之间的相位角α 1、β 1、α 2、β 2……。由于Α、Β两电机位置确定，其两电机距离设为L (已知)，又可求得MO与静传感器 相对于A、B的夹角α O、β 0，这样就确定了物体的初始位置MO。
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权利要求
一种曲线位移传感器系统，其特征是包括随曲线移动的物体一起移动的动传感器，另有起对动传感器的移动信号作参照作用的静传感器装置，通过动传感器和/或静传感器的高频脉冲数表征位移大小。
2.根据权利要求1所述的曲线位移传感器系统，其特征是有随曲线移动的被测物体 一起移动的动传感器，另有左、右勻速同步电机，左、右勻速同步电机的旋转方向相同，左、 右勻速同步电机的输出轴上分别连接具有对红外光反光作用、并随电机输出轴转动的反光 棒，反光棒的旋转平面与电机输出轴垂直，电机输出轴轴心为反光棒旋转平面圆心，两个反 光棒的旋转平面具有相互重叠的区域，该重叠区域为物体移动的有效检测区，即被测物体 的移动范围在上述重叠区域内；有一个静传感器固定在左、右勻速同步电机之间；所述动 传感器、静传感器均为反射式单光束红外光电传感器。
3.根据权利要求2所述的曲线位移传感器系统，其特征是在有强光干扰的工况下使 用时，采用霍尔传感器或涡流传感器代替反射式光电传感器，将霍尔元件、涡流线圈安装于 曲线轨道上，安装位置同反射式光电传感器，将反光棒替换为磁场发生装置或涡流片，将敏 感元件的输出作为位置信号。
4.根据权利要求1所述的曲线位移传感器系统，其特征是有随曲线移动的被测物体 一起移动的随动式动传感器，另有左、右勻速同步电机，左、右勻速同步电机的输出轴上分 别固装第一、第二动传感器，第一、第二动传感器为光电发射器，左、右勻速同步电机的外壳 上分别固装第一、第二静传感器，第一、第二静传感器为光电接收器件，随动式动传感器在 一圈360度范围内安装若干个光接收器件，保证被测物体在任何位置下均可接收到第一、 第二动传感器发出的光信号；第一、第二静传感器的安装位置为能分别接收到第二、第一动 传感器发出的光信号的位置。
5.根据权利要求1所述的曲线位移传感器系统，其特征是有随曲线移动的被测物体 一起移动的动传感器，动传感器固定在同步勻速电机轴上，跟随电机同步勻速旋转，同步电 机固定在被测物体上，跟随物体同步运动，另有第一、第二静传感器固定在被测物体曲线位 移轨道两侧；所述动传感器是光电发射传感器，第一、第二静传感器为光电接收传感器，动 传感器发出的光束轴线旋转形成的平面与电机轴线垂直。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的曲线位移传感器系统，其特征是动传感器、静传 感器分别与比较器连接，比较器与单片机连接，单片机通过I/O 口输出控制信号给FPGA的 计数器�？椋üテ谙吒叩偷缙降淖皇迪旨际鹾退婀δ艿那谢唬嫫靼咽� 返回单片机，单片机经过计算把结果输出显示。
7.—种权利要求1所述的曲线位移传感器系统的用途，其特征是用于检测曲线位移 或检测曲率大�。觳馇蚀笮∈保ü垂獍粜瓒衅饕贫讨械娜龅悖� 用两段微直线拟合圆�。捎酶咂德龀逄畛洳⒔岷先呛怂愕玫角拾刖都扒蚀� 小。
8.—种权利要求1所述的曲线位移传感器的用途，其特征是通过在被测物体上安装 直线位移传感器，以任意一个与电机轴线垂直的平面为参考，检测被测物体与该平面间的 位移变化，通过立体几何计算可确定被测物体在三维空间中的轨迹，即可实现三维空间曲 线位移检测。
全文摘要
本发明公开了一种曲线位移传感器系统及其用途，包括随曲线移动的物体一起移动的动传感器，另有起对动传感器的移动信号作参照作用的静传感器装置，通过动传感器和/或静传感器的高频脉冲数表征位移大小。本发明具有结构简单、安装方便、成本低、测量精度和分辨率高、无须调零等优点。
文档编号G01B11/24GK101936710SQ20101025526
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者丁立军, 冯浩, 华亮, 吕琳琳, 吴晓新, 姚娟, 李智, 羌予践, 茅靖峰, 顾菊平, 魏绪亮 申请人:南通大学
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