CN103148774B - 起重机大小车用座标式相对位移检测磁尺 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种座标式相对位移检测磁尺，检测起重机大小车运动时相对于轨道中心的距离，磁尺由磁性标尺、磁传感装置和电子数据处理装置三部分组成。磁性标尺是许多厚度为2分之1个长度单位的磁铁块在一条直线上的间隔排列的集合，中间的两块磁铁块的距离是1个长度单位，左右各有N块磁铁块，相邻的两个磁铁块之间的距离是3个长度单位；磁铁块之间的距离和检测的精度正相关，N的数目与被检测的线位移长度正相关；磁传感装置是4只磁敏感元件在一条直线上的间隔排列的集合，相邻的两个磁敏感元件之间的距离是1个长度单位。其特点是结构简单，安装调试方便，没有积累误差，适用于大小车位移控制自动化。

Description

起重机大小车用座标式相对位移检测磁尺

技术领域

本发明涉及一种起重机大、小车用线位移检测磁尺，特点是采用了座标式的相对位移检测技术，属较大范围的线位移测量传感技术领域。

背景技术

轨道式龙门起重机大、小车工作时的位移检测，属较大距离检测的范围；其特点是检测距离较大，检测精度要求较高，而又希望检测设备结构简单。

过去采用的检测方法有：⒈先采用机械变换装置，将大、小车工作时的线位移变换成一个测量轮的角位移；然后采用光电轴角编码器，检测出测量轮的角位移大小，经过电装置换算后，再求出大、小车工作时的线位移值。这种方法的缺点是：①机械结构多了一套将线位移变成角位移的变换装置，增加了机械结构的复杂性；②大、小车运行时，由于大、小车车轮有时会打滑，这种打滑会影响到机械变换装置的变换，从而引起检测的积累误差。

⒉上海振华港机股份有限公司，前几年将绝对位置检测磁尺用于起重机大、小车的位移检测，虽然解决了积累误差的问题，但是绝对位置检测磁尺的结构比较复杂。结构复杂的原因是，绝对位置检测磁尺为了获得绝对位置信息，必须有磁性标尺和磁传感装置两个重要部件；磁性标尺是许多磁铁的集合，磁传感装置是许多磁敏感元件的集合。磁铁在集合中的排列或者是磁敏感元件在集合中的排列，必须有一方按一定的编码规律排列在一根铝管或塑料管中，另一方只要简单的等间距排列；而且测量的距离越长，测量的精度越高，编码就越复杂；编码越复杂，排列施工就越困难。振华港机选择的是磁铁在集合中按编码规律排列的方案；实用新型《数字化接近型位移传感器》（ZL03235453.3）也是一种绝对位置检测磁尺，但它选择的是磁敏感元件在集合中按编码规律排列的方案；这两种方案，不论采用那种方案，编码都会使结构变得复杂，会使加工和调试增加困难。

发明内容

本发明设计了一种座标式相对位移检测磁尺，用于起重机大、小车工作时线位移的检测，它结构简单，调试方便，且不会产生积累误差，非常适合于起重机大小车的自动化检测和数字控制。

座标式相对位移检测磁尺由磁性标尺、磁传感装置和电子数据处理装置三部分组成。座标式相对位移检测磁尺的结构如图1所示，图中编号1是磁性标尺，图中编号2是磁传感装置，图中编号3是电子数据处理装置。参考图2，磁性标尺是许多磁铁块在一条直线上的集合，集合的基体是塑料条或铝管或其它非导磁材料，其中磁铁块A4和磁铁块A5的间距是1个长度单位；在A4的左边有N个磁铁块（图中只示意画出了A1～A3），相邻的两个磁铁块之间的距离是3个长度单位；在A5的右边也有N个磁铁块（图中只示意画出了A6～A8），相邻的两个磁铁块之间的距离也是3个长度单位。磁铁块之间的距离与检测的精度正相关，磁铁块之间的距离越小，检测的精度越高；N的数目与被检测的线位移的长度有关，长度越长，N的值越大。磁传感装置是4只磁敏感元件B1、B2、B3、B4在一条直线上的集合，集合的基体是印刷线路板或集成电路块，相邻的两个磁敏感元件之间的距离是1个长度单位。很明显，无论磁铁块在集合中的排列，还是磁敏感元件在集合中的排列都是简单的等间距排列，结构非常简单。

座标式相对位移检测磁尺的工作原理说明如下。磁尺的磁性标尺部分一般是装在大车或者小车的轨道上；磁尺的磁传感装置部分一般是装在大车或者小车的车架上，方向和磁性标尺的方向平行；磁传感装置和磁性标尺之间有一个间隙，间隙的大小以两者做相对移动时不会发生碰撞，但是磁敏感元件又能对磁铁块产生感应信号为宜。

大车或者小车在运行时，磁传感装置中的磁敏感元件B1、B2、B3、B4，如果有谁运行到有磁铁块所在的位置，那么它就会有磁感应脉冲信号产生。图2所在的位置，B2、B3同时有磁感应脉冲信号产生，它是座标的原点。

大车或者小车离开原点向右移动，磁传感装置移动到图3的位置，B1、B2同时有磁感应脉冲信号产生，表示大车或者小车在座标的正方向移动了一个长度单位。当磁传感装置的B1、B2同时有磁感应脉冲信号产生时，这组信号还有一个功能，即表明大车或者小车开始进入座标的正方向区域；在座标的正方向区域，通过电子数据处理装置3的处理，可以屏蔽掉磁敏感元件B1的信号，只让磁敏感元件B2、B3、B4的信号有效。

大车或者小车继续向右移动，磁传感装置移动到图4的位置，由于B1的磁感应脉冲信号已被屏蔽，所以只有B4的磁感应脉冲信号被后面的电子数据处理装置利用，表示大车或者小车在座标的正方向又移动了一个长度单位。

大车或者小车再继续向右移动，磁传感装置移动到图5的位置，B3有磁感应脉冲信号产生，表示大车或者小车在座标的正方向又移动了一个长度单位。依此类推，大车或者小车在座标的正方向区域每进一步，将会按B2→B4→B3→B2→B4→B3→…的顺序，有一个磁敏感元件会感应到一个脉冲信号，电子数据处理装置将这类脉冲信号进行加计数；反之在座标的正方向区域每退一步，将会按B4→B2→B3→B4→B2→B3…的顺序，有一个磁敏感元件会感应到一个脉冲信号，电子数据处理装置将这类脉冲信号进行减计数；加计数和减计数的综合结果，就是大车或者小车在座标的正方向区域运动时，离开座标原点的距离。

上面通过图3、图4、图5阐述了座标式相对位移检测磁尺在座标的正方向区域运动时的测距原理；下面阐述磁尺在座标的反方向区域运动时的测距原理。大车或者小车离开座标的原点向左移动，磁传感装置移动到图6的位置，B3、B4同时有磁感应脉冲信号产生，表示大车或者小车在座标的反方向移动了一个长度单位。当磁传感装置的B3、B4同时有磁感应脉冲信号产生时，这组信号还有一个功能，即表明大车或者小车开始进入座标的反方向区域；在座标的反方向区域，通过电子数据处理装置的处理，可以屏蔽掉磁敏感元件B4的信号，只让磁敏感元件B1、B2、B3的信号有效。

大车或者小车继续向左移动，磁传感装置移动到图7的位置，由于B4的磁感应脉冲信号已被屏蔽，所以只有B1的磁感应脉冲信号被后面的电子装置利用，表示大车或者小车在座标的反方向区域又移动了一个长度单位。

大车或者小车再继续向左移动，磁传感装置移动到图8的位置，B2有磁感应脉冲信号产生，表示大车或者小车反方向又移动了一个长度单位。依此类推，大车或者小车在座标的反方向区域每进一步，将会按B3→B1→B2→B3→B1→B2…的顺序，有一个磁敏感元件会感应到一个脉冲信号，电子数据处理装置将这类脉冲信号进行加计数；反之在座标的反方向上每退一步，将会按B1→B3→B2→B1→B3→B2…的顺序，有一个磁敏感元件会感应到一个脉冲信号，电子数据处理装置将这类脉冲信号进行减计数；加计数和减计数的综合结果，就是大车或者小车沿座标的反方向运动时，离开座标原点的距离。

上面详细阐述了座标式相对位移检测磁尺的测距原理。下面解释一下座标式相对位移检测磁尺可以消除积累误差的工作原理。本发明磁尺虽然采用的是相对位移检测的工作原理，也就是增量式检测的工作原理，按理说增量式检测都会有积累误差的，本发明装置应当也不例外；但是由于本发明装置采用了座标式的设计方案，大、小车在轨道上来来回回运动时，会频繁地通过座标的原点，而每过一次座标的原点，电子数据处理装置都必须将测试数据归一次零，因此座标式相对位移检测磁尺可以消除积累误差。

依据上述工作原理，电子数据处理装置的基本功能是：当磁传感装置随着大、小车的运动到达座标的原点时，磁敏感元件B2和磁敏感元件B3都有感应信号，这时电子数据处理装置应使测试数据归零，还应即时解除对磁敏感元件B1和磁敏感元件B4的屏蔽，恢复判向功能。当磁传感装置随着大、小车的运动由座标的原点进入座标的正方向区域时，磁敏感元件B1、B2同时有感应信号时，这时电子数据处理装置应即时屏蔽磁敏感元件B1的感应信号，只用磁敏感元件B2 、B3和B4的感应信号，依据上面阐述的加减计数原理，计算出大车或者小车在座标的正方向区域的座标值；当磁传感装置随着大、小车的运动由座标的原点进入座标的反方向区域时，磁敏感元件B3、B4同时有感应信号时，这时电子数据处理装置应即时屏蔽磁敏感元件B4的感应信号，只用磁敏感元件B1 、B2和B3的感应信号，依据上面阐述的加减计数原理，计算出大车或者小车在座标的反方向区域的座标值。电子数据处理装置采用单片机电路可以实现上述基本功能。

附图说明

图1座标式相对位移检测磁尺组成图

图2磁尺的磁性标尺和磁传感装置的编码原理图

图3大、小车在座标的正方向区域运动时工作原理说明用图（B2有信号）

图4大、小车在座标的正方向区域运动时工作原理说明用图（B4有信号）

图5大、小车在座标的正方向区域运动时工作原理说明用图（B3有信号）

图6大、小车在座标的负方向区域运动时工作原理说明用图（B3有信号）

图7大、小车在座标的负方向区域运动时工作原理说明用图（B1有信号）

图8大、小车在座标的负方向区域运动时工作原理说明用图（B2有信号）

图9具体实施时，磁性标尺的组合式方案示意图。磁性标尺做成两种部件：第一种部件1—1和第二种部件1—2。

具体实施方式

轨道式龙门起重机大、小车工作时，大车运行的范围像是一个矩形广场的长，小车运行的范围像是一个矩形广场的宽，安装在小车上的吊钩像是一个在矩型广场中运行的物体。

座标式相对位移检测磁尺安装在轨道式龙门起重机上，就好像在矩型广场上放置了一个二维的座标，座标的原点正好和矩型广场的中心点重合，矩型广场被分成了四个象限；吊钩在矩型广场上运动，无论在哪一个位置，都可以用某一个象限的座标来准确地表示。

具体实施时，磁性标尺由两种部件组装，一种是带有座标原点的标尺，另一种是没有座标原点的标尺。典型的实施例，如图9所示：第一种部件1—1，是带有座标原点的标尺，中间的两块磁铁的距离是1个距离单位，其余的两块磁铁的距离都是3个距离单位，左右两边的磁铁到各自的标尺端面的距离都是1.5个距离单位；第二种部件1—2，是没有座标原点的标尺，所有两块磁铁的距离都是3个距离单位，左右两边的磁铁到各自的标尺端面的距离都是1.5个距离单位。磁铁的厚度等于或小于0.5个距离单位。1个距离单位具体取多少国际长度单位，与检测的精度相关。无论第一种部件1—1还是第二种部件1—2，图中都只画出了几块磁铁，实际上有很多块磁铁；具体的块数，与部件的长度有关，比如说第一种部件1—1和第二种部件1—2都做成1米长度的一条，如果1个距离单位具体取多少国际长度单位已经确定，那么就可算出这1米长的部件所需要的磁铁块的个数。将1件第一种部件1—1和许多件第二种部件1—2组合在一起时，就成了说明书[0006]段中介绍的磁性标尺，两者结构特征完全相同：中间两块磁铁间的间距是1个长度单位，其余的任何两块磁铁间的间距都是3个长度单位；当然，两者工作原理也完全相同。

安装时，座标式相对位移检测磁尺的磁性标尺安装在起重机大、小车的轨道上，座标式相对位移检测磁尺的磁传感装置安装在大车或者小车的车架上。不论起重机大、小车的轨道有多长，磁性标尺都由第一种部件1—1和第二种部件1—2组装而成，第一种部件1—1大、小车各都只用一条，第二种部件1—2使用多少条则要看轨道的长度。

Claims (2)

1.一种座标式相对位移检测磁尺，由磁性标尺、磁传感装置和电子数据处理装置三部分组成；其结构特征是：磁性标尺是许多厚度等于二分之一个长度单位或小于二分之一个长度单位的磁铁块在一条直线上的间隔排列的集合，集合的基体是塑料条或铝管或其它非导磁材料，正中间的两块磁铁中线的距离是1个长度单位，这两块磁铁中线之间的中点是座标的原点，原点的左、右分别是座标的正区域和负区域；磁性标尺的正区域和负区域各有N块磁铁，相邻的两个磁铁中线的距离都是3个长度单位；磁铁块之间的距离与检测的精度正相关，N的数目与被检测的线位移的长度正相关；磁传感装置是4只磁敏感元件在一条直线上的间隔排列的集合，集合的基体是印刷线路板或集成电路块，相邻的两个磁敏感元件之间的距离都是1个长度单位。

2.按照权利要求1所述的座标式相对位移检测磁尺，其中的磁性标尺由两种部件组装，其特征是：磁性标尺被做成两种部件，第一种部件（1—1）是带有座标原点的标尺，第二种部件（1—2）是没有座标原点的标尺，两种部件的每个部件都做成1到5米长的标准件；无论是第一种部件（1—1）还是第二种部件（1—2），每个部件的左、右两端的磁铁块的中线到本部件端面的距离都是1.5个长度单位；磁性标尺安装时,选择1个第一种部件（1—1）和若干个第二种部件（1—2）, 第一种部件（1—1）安装在轨道的中间，第二种部件（1—2）安装在第一种部件（1—1）的两边, 第二种部件（1—2）的个数与单个标准件的长度及轨道的长度相关。