CN101936710B - 曲线位移传感器***及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲线位移传感器***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。

Description

曲线位移传感器***及其用途

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***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***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***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CCD(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工况下，如测量焊接切割***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***。 

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***，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***，有随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器，另有左、右匀速同步电机，左、右匀速同步电机的旋转方向相同，左、右匀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、右匀速同步电机之间；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的计数器模块，通过单片机口线高低电平的转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***，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、右匀速同步电机，左、右匀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、右匀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***，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匀速电机轴上，跟随电机同步匀速旋转，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的计数器模块，通过单片机口线高低电平的转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。 

一种曲线位移传感器***的用途，其特征是：用于检测曲线位移或检测曲率大小，检测曲率大小时，通过反光棒旋转扫描动传感器移动过程中的三个点，采用两段微直线拟合圆弧，采用高频脉冲填充并结合三角函数运算得到曲率半径及曲率大小。 

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。 

附图说明：

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、右匀速同步电机3、4(即电机A、B)，左、右匀速同步电机的旋转方向相同，左、右匀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、右匀速同步电机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M0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T0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α0、β0(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T0时刻记录下高频脉冲个数NA0与NB0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α0、β0。同理根据记录数据NA1、NB1、NA2、NB2……可以得到T1、T2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α1、β1、α2、β2……。 

由于A、B两电机位置确定，其两电机距离设为L(已知)，又可求得M0与静传感器相对于A、B的夹角α0、β0，这样就确定了物体的初始位置M0。 

${\mathrm{\α}}_0=\frac{N_{A0}}{N}*360---\left(1\right)$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{N_{B0}}{N}*360---\left(2\right)$

${\mathrm{AM}}_0=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin ({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_0)}*L=\frac{\sin (\frac{N_{a0}}{N}*360)}{\sin (\frac{N_{a0}+N_{b0}}{N}*360)}*L---\left(3\right)$

当被测物体发生位移，动传感器也同步运动，如M0移动到M1位置，此时静传感器输出脉冲相位依旧没变，而动传感器输出脉冲相位变化了，α0、β0也成了α1、β1。 

${\mathrm{\α}}_1=\frac{N_{A1}}{N}*360---\left(4\right)$

${\mathrm{\β}}_1=\frac{N_{B1}}{N}*360---\left(5\right)$

${\mathrm{AM}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_1}{\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}*L---\left(6\right)$

这样就可以得到动传感器移动前后两位置到A的距离AM0、AM1。 

由于AM0，AM1以及他们的夹角(α0-α1)可知，所以物体前后的位移M0M1可求得： 

$M_0{M}_1=\sqrt{[{{\mathrm{AM}}_0}^2+{{\mathrm{AM}}_1}^2-2\cos ({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_1){\mathrm{AM}}_0{\mathrm{AM}}_1]}---\left(7\right)$

采用上述方法可以得到线位移测量通用公式： 

${\mathrm{\α}}_n=\frac{N_{\mathrm{An}}}{N}*360---\left(8\right)$

${\mathrm{\β}}_n=\frac{N_{\mathrm{Bn}}}{N}*360---\left(9\right)$

${\mathrm{AM}}_n=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_n}{\sin ({\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\β}}_n)}*L---\left(10\right)$

${\mathrm{AM}}_{n-1}=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_{n-1}}{\sin ({\mathrm{\α}}_{n-1}+{\mathrm{\β}}_{n-1})}*L---\left(11\right)$

$M_{n-1}{M}_n=\sqrt{[{{\mathrm{AM}}_{n-1}}^2+{{\mathrm{AM}}_n}^2-2\cos ({\mathrm{\α}}_{n-1}-{\mathrm{\α}}_n){\mathrm{AM}}_{n-1}{\mathrm{AM}}_n]}---\left(12\right)$

通过以上方法将得到的直线段相加即可得到曲线位移。当物体移动速度很慢时，直线段非常段，但由于两电机扫描过传感器存在时差，因此曲线位移计算存在一定误差。被测物体移动速度越慢，电机旋转速度越快，则误差越小。当被测物体为步进移动时，测量可以得到很高的分辨率和精度。 

以上计算是在假设A、B两电机转速均匀且大小一致的情况下得出的，实际操作中，A、B两电机转速不可能完全相同，此时在求α_n和β_n时，两电机在旋转一周所对应的高频脉冲数N可根据实际情况调整。具体计算N时，可通过接口电路计算两相邻静传感器间高频脉冲数得出。 

(2)当被测物体移动方向远离静传感器时 

如图4所示，既即物体从过两转轴连线开始，经Mn-1移动到Mn直至更远的地方这一过程。此时公式8、9将不再适用。当动传感器经过两电机轴心连线时，必定存在铝棒连续经过两次静传感器而没有经过动传感器的情况，因此可通过接口电路判断，当接口电路发现连续出现两个静传感器脉冲而没有出现动传感器脉冲时，可通过简单几何分析对公式8、9作适当修改，但公式12任然适用。 

实施例2(即实施方案2)： 

有随曲线移动的被测物体一起移动的随动式动传感器7(即动传感器M)，另有左、右匀速同步电机8、9(即电机A、B)，左、右匀速同步电机的输出轴上分别固装第一、第二动传感器10、11(即动传感器A、 B)，第一、第二动传感器为光电发射器，左、右匀速同步电机的外壳上分别固装第一、第二静传感器12、13(即静传感器A、B)，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。 

如图5所示，动传感器M为光电接收器，与被测物体固定并同步移动。动传感器A、B为光电发射器，分别与电机A、B轴固定连接，同步旋转。静传感器A、B为光电接收器件，与电机外壳固定连接静止不动。动传感器M安装时，在一圈360度范围内安装若干个光接收器件(多接收器件信号经过比较器等调理电路处理后，通过或门连接)，保证被测物体在任何位姿下均可接收到动传感器A和B发出的光信号。静传感器A、B安装时应能保证分别接收到动传感器B、A发出的光信号。 

电机带动两个动传感器旋转，动传感器A发射信号，M与B先后接收到该信号。同理B发射信号，M、A也先后接收到信号。 

(1)当被测物体接近A、B电机轴心连线时 

如图6所示。在被测物体没有移动时先启动两同步电机，测量范围可以扩大到两光电传感器可感应区域的交集。静传感器A接收的信号是动传感器B发出的，静传感器B接受的是动传感器A发出的，M接受动传感器A、B两个发射的信号。当M移动时，M接受信号与静传感器A、B接受信号的相位会发生变化，相位差体现了M位移的变化。 时序图如图7所示。设AB两电机轴心连线距离为L，电机B旋转一周高频脉冲数量为N_B，电机A旋转一周高频脉冲数为N_A。可得： 

${\mathrm{\α}}_0=\frac{N_{B0}}{N_B}*360---\left(13\right)$

${\mathrm{\β}}_0=\frac{N_{A0}}{N_A}*360---\left(14\right)$

${\mathrm{AM}}_0=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_0}{\sin ({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\β}}_0)}*L---\left(15\right)$

${\mathrm{\α}}_1=\frac{N_{B1}}{N_B}*360---\left(16\right)$

${\mathrm{\β}}_1=\frac{N_{A1}}{N_A}*360---\left(17\right)$

${\mathrm{AM}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_1}{\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}*L---\left(18\right)$

$M_0{M}_1=\sqrt{[{{\mathrm{AM}}_0}^2+{{\mathrm{AM}}_1}^2-2\cos ({\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{\α}}_1){\mathrm{AM}}_1{\mathrm{AM}}_2]}---\left(19\right)$

${\mathrm{AM}}_n=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_n}{\sin ({\mathrm{\α}}_n+{\mathrm{\β}}_n)}*L---\left(20\right)$

${\mathrm{AM}}_{n-1}=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_{n-1}}{\sin ({\mathrm{\α}}_{n-1}+{\mathrm{\β}}_{n-1})}*L---\left(21\right)$

$M_{n-1}{M}_n=\sqrt{[{{\mathrm{AM}}_{n-1}}^2+{{\mathrm{AM}}_n}^2-2\cos |{\mathrm{\α}}_{n-1}-{\mathrm{\α}}_n\left|{\mathrm{AM}}_{n-1}{\mathrm{AM}}_n\right]}---\left(22\right)$

通过以上方法将得到的直线段相加即可得到曲线位移。当物体移动速度很慢时，直线段非常段，但由于两电机扫描过传感器存在时差，因此曲线位移计算存在一定误差。被测物体移动速度越慢，电机旋转速度越快，则误差越小。当被测物体为步进移动时，测量可以得到很高的分辨率和精度。 

(2)当被测物体远离A、B电机轴心连线时 

测量原理简图如图8所示，时序图如图9所示。此时公式16、17 将不再适用。当动传感器M经过两电机轴心连线时，必定存在静传感器A连续出现两个脉冲而动传感器M没有出现脉冲的情况，或者静传感器B连续出现两个脉冲而动传感器M没有出现脉冲的情况，因此可通过接口电路判断，当接口电路发现连续出现两个静传感器脉冲而没有出现动传感器M的脉冲时，可通过简单几何分析对α_n及β_n作适当修改，但公式22任然适用。 

实施例3(即实施方案3)： 

有随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器14(即动传感器M)，动传感器14固定在同步匀速电机15轴上，跟随电机同步匀速旋转，同步电机固定在被测物体16上，跟随物体同步运动，另有第一、第二静传感器17、18(即静传感器A、B)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。 

图中动传感器M固定在同步电机轴上，跟随电机同步匀速旋转。同步电机固定在被测物体上，跟随物体同步运动。静传感器A和B固定在曲线位移轨道(轨迹)两侧。所用的电机为微型同步电机，也可用转速均匀的其它电机代替。光源(光电接收器)也可采用激光发射接收装置。 

测量原理如图11所示。测量原理时序图如图12所示。在被测物体连续移动时，在被测物体上连续旋转的传感器对A、B两点的扫描周期将发生连续变化。可以得到： 

${\mathrm{\α}}_0=(\frac{N_{A0}}{N}-1)*360---\left(23\right)$

${\mathrm{\β}}_0=(1-\frac{N_{B0}}{N})*360---\left(24\right)$

${\∠\mathrm{BM}}_{0}A=\frac{N_0}{N}*360---\left(25\right)$

其中N是动传感器M每转一周时间内填充的高频脉冲数。在三角形AM₀B中，∠BM₀A可求，因此使用该方案时，必须保证AM0、BM0、AB、∠M₀BA、∠M₀AB中的任意两个值已知，则三角形AM₀B中所有角和边都可得到。且由于∠BM₁A＝∠BM₀A+α₀+β₀，而∠BM₁A可以由接口电路自动求得，因此在实际测量中，只需计算α₀及β₀中的一个量即可。假设α₀已计算得到，则在三角形AM₀M₁中，AM0及α₀已知，AM1可以在三角形AM₁B中求得(由于在三角形AM₁B中，AB已知，∠M₁AB＝∠M₀AB-α₀，∠M₁BA＝∠M₀BA-β₀，则AM1可得)，则M₀M₁可以求得。通过简单的几何分析可以得到每次运动M_nM_n+1，相加即得曲线位移。 

4、曲率测量实施方案 

曲率是表示曲线弯曲程度的量。平面曲线的曲率就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。K＝lim|Δα/Δs|，Δs趋向于0的时候，定义K就是曲率。 

以上给出的三种方案均可用于实现曲率测量。下面以方案1为例说明曲率检测原理。检测俯视原理图如图13所示。以M0、M1、M2为例，假设这三点在一个圆弧上，由于每次检测距离很小，可以近似为两小段直线，两直线中垂线的焦点则为该圆弧的圆心，而M1O1就是曲率半径R，这样就可以求得M1位置的曲率了。图14是理想模型图。 

利用方案一中公式， 

令A(0，0)，M₀坐标为(AM₀*cosα₀，AM₀*sinα₀)，同理得到M₁，M₂等位置坐标。 

${\mathrm{AM}}_1=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_1}{\sin ({\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\β}}_1)}*L---\left(26\right)$

${\mathrm{AM}}_2=\frac{\sin {\mathrm{\α}}_2}{\sin ({\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2)}*L---\left(27\right)$

M1(AM₁*cosα₁，AM₁*sinα₁)                    (28) 

M2(AM₂*cosα₂，AM₂*sinα₂)                    (29) 

设M0(X0，Y0)，M1(X1，Y1)，M2(X2，Y2)，O1(X，Y)，曲率半径为R。计算公式如下： 

$\sqrt{{(X-X_0)}^2+{(Y-Y_0)}^2}=R--\left(30\right)$

$\sqrt{{(X-X_1)}^2+{(Y-Y_1)}^2}=R---\left(31\right)$

$\sqrt{{(X-X_2)}^2+{(Y-Y_2)}^2}=R---\left(32\right)$

经过计算可得：O₁的坐标 

$X=\frac{(y_0-y_1){(x_2-x_0)}^2+{(y_0-y_1)}^2\left(\frac{x_2-x_0}{x_1-x_0}\right)y_1-(y_0-y_1)(y_0-y_2)y_2}{(y_0-y_1)(x_2-x_0)-(y_0-y_2)(x_1-x_0)}-\frac{y_0-y_1}{2(x_1-x_0)}{y}_1+\frac{x_0+x_2}{2}---\left(33\right)$

$Y=\frac{(x_1-x_0){(x_2-x_0)}^2+(y_0-y_1)(x_2-x_0)y_1-(x_1-x_0)(y_0-y_2)y_2}{2[(y_0-y_1)(x_2-x_0)-(y_0-y_2)(x_1-x_0)]}+y_0---\left(34\right)$

$R=\sqrt{{[X-x_0]}^2+{[Y-y_0]}^2}$ 即： 

$R=\sqrt{[\frac{(y_0-y_1){(x_2-x_0)}^2+{(y_0-y_1)}^2\left(\frac{x_2-x_0}{x_1-x_0}\right)y_1-(y_0-y_1)(y_0-y_2)y_2}{(y_0-y_1)(x_2-x_0)-(y_0-y_2)(x_1-x_0)}-\frac{y_0-y_1}{2(x_1-x_0)}{y}_1+\frac{x_2-x_0}{2}{]}^2+{\left[\frac{(x_1-x_0){(x_2-x_0)}^2+(y_0-y_1)(x_2-x_0)y_1-(x_1-x_0)(y_0-y_2)y_2}{2[(y_0-y_1)(x_2-x_0)-(y_0-y_2)(x_1-x_0)]}\right]}^2}---\left(35\right)$

5、新型曲线位移传感器接口电路设计 

三种方案的曲线位移传感器，在接口电路设计中具有相似性。下面 以方案1为例说明。 

(1)硬件电路设计 

选用ST188一体反射式红外传感器作为动传感器与静传感器，其接口电路如图15所示，VCC选用+5V，GND接地，R1选(500～1000)Ω，R2选20KΩ，OUT为信号输出端，OUT端接比较器LM339后输出脉冲。 

接口电路框图如图16所示，充分利用单片机技术和EDA技术各自的优点，硬件电路采用FPGA(EP1K30TC144-3)辅助单片机(AT89C51)的形式。传感器A、B信号经LM339处理后，输入单片机中断口，单片机P1.0、P1.1口输出控制信号给FPGA的计数器模块，当P1.0或P1.1口输出高电平时计数器A或B开始记数，低电平时停止计数并锁存。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。 

传感器与单片机接口电路如图17所示，单片机与FPGA接口电路如图18所示，选取FPGA的con3(P43，44，46，47，48，49，51，59，60，62，63，64)、DATA(P109，110，111，112，113，114，116，120，121，122)来送所记高频脉冲数。P64，P65和P109，P110来连接控制信号。 

(2)软件设计 

单片机先检测到动传感器中断，然后要完成如下动作：控制计数器A计数，然后检测到静传感器中断，停止计数器A计数，同时FPGA锁存该数A，送单片机，清0后，再检测到动传感器中断，开始计数器B计数，再后来检测到静传感器中断，停止计数器B计数，同时FPGA锁存该数B，送单片机，清0后循环。 

整个程序中用到了很多计算，包括指数函数、阶乘函数、sin函数、 cos函数、开根号函数等。具体实现中采用单片机c语言编程，比较方便，同时还要考虑单片机的混合编程。下面是计算程序中必要的几个字程序的编写： 

double mypow(double，int)；//自定义指数函数，在sin、cos泰勒展开式中调用 

int mult(int)；            //自定义阶乘函数，在sin、cos泰勒展开式中调用 

double mysin(double)；     //自定义sin函数，采用泰勒展开式进行逼近来求解(精度决定项数) 

double mycos(double)；     //自定义cos函数，采用泰勒展开式进行逼近来求解 

double mysqrt(double)；    //自定义开方函数，采用迭代法开根号 

计算结束后的值送入显示缓冲区，***采用的是8片74LS164作为8个LED的段码输出口，所以把结果数据分为8段数据，经过偏移计算，查表调用偏移量显示在8段LED上。可以显示曲线位移大小，并可以实时显示曲线位移的动态变化。 

在FPGA设计中使用74163和74373组成的计数锁存***。两片74163级联电路图及仿真结果如图18和19所示。为提高检测精度，需提高高频脉冲频率，此时可通过不断拓展计数器和锁存器来实现高频脉冲计数。 

6、三维立体空间曲线位移检测 

本发明提出的三种方案仅适用于平面曲线位移检测，可确定物体在二维平面中的坐标变化。但可将本发明提出的方案很方便地延伸到三维曲线位移检测领域。只需在被测物体上安装直线位移传感器(如激光传感器、超声波传感器等)，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，可确定物体在三维空间的坐标变化，通过立体几何计算，即可实现三维空间曲线位移检测。 

7、传感器精密度及准确度分析 

对于线位移传感器来说，测量精密度、准确度和分辨率是最重要的技术指标。测量精密度是指相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。在本***中，测量精密度主要取决于同步转速的均匀程度。 

实验中所采用的同步电机的转速为110r/min(1.83r/s)，采用有源晶振提供的高频脉冲频率为20MHz。则电机每转每一周所记高频脉冲数N＝(60/110)/[1/(20*10⁶)]＝10909090.9个。理论上可辨别的最小角度为0.000033°。假设被测物体离两电机轴较近。设AM＝0.1m，则理论上可能辨别的位移为tan0.000033°×0.1＝0.000000057m＝5.7×10^-8m，由此可见，该传感器的分辨率是非常高的。 

测量准确度是指测量值和真值之间的接近程度。本曲线位移传感器采用数字插值的方法实现曲线位移测量，测量准确度取决于差值频率，在物体运动速度缓慢、填充脉冲频率较高、电机转速均匀的前提下测量具有较高的准确度。 

8、传感器优缺点分析及改进 

优点：(1)测量范围大；(2)结构简单，安装方便，成本低；(3)测量精度和分辨率高；(4)测量前无须调零；(5)不需另加判向电路，通过软件直接判向；(6)发展潜力大，可扩展。 

缺点： 

(1)电机转速的均匀程度是决定传感器精度的主要因素之一。选用的电机为同步电机，主要是因为负载变化时转速能基本恒定，在传感器置换、反射棒等材料或结构改变的情况下不需进行调速；但同步电机有较大的电磁脉动造成转速脉动，对精度有影响；可进一步选用转速更加均匀的微特电机。 

(2)方案1与方案2主要应用于被测对象是步进移动的场合。在方案一中，被测对象每走一步需停止等待两铝棒都扫描过静、动传感器后，才能移动下一步。在方案二中，被测对象每走一步需停止等待两个动传感器(红外发射管)扫描过静、动传感器后，才能移动下一步。虽然传感器的分辨率很高，理论上不论被测物体的步进距离多小都可以检测出来。但要求被测对象以步进方式运行显然限制了传感器的使用领域，在实际应用中，方案1及2提出的传感器可直接应用于缓慢移动的物体，而不要求物体步进移动，由此带来的误差不可避免，但物体移动速度越慢，误差越小。 

(3)***接口电路中运算工作连较大。如采用单片机要完成比较三角函数等比较复杂的计算，会给检测带来较大的电气误差。在今后改进中，可以通过选用DSP等高档控制器完成复杂运算以提高***精度。 

Claims (3)

1.一种曲线位移传感器***，其特征是：包括随曲线移动的被测物体一起移动的动传感器，另有对动传感器的移动信号起参照作用的静传感器，通过动传感器和/或静传感器的高频脉冲数表征位移大小；另有左、右匀速同步电机，左、右匀速同步电机的旋转方向相同，左、右匀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；所述静传感器为一个，固定在左、右匀速同步电机之间；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。

2.一种权利要求1所述的曲线位移传感器***的用途，其特征是：用于检测曲线位移或检测曲率大小，检测曲率大小时，通过反光棒旋转扫描动传感器移动过程中的三个点，采用两段微直线拟合圆弧，采用高频脉冲填充并结合三角函数运算得到曲率半径及曲率大小。

3.一种权利要求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。

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