CN107328354B - 一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法 - Google Patents

一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种相位式电子卷尺，包括锁相环、混频器、微处理器、卷尺、弹性连线和采样单元，使用锁相环产生主振信号和本振信号两路高频信号；混频器将主振信号和本振信号直接混合后，输出一低频信号给采样单元，和/或混频器将接到尺条上并从尺条上流过的主振信号与本振信号混合后输出一低频信号给采样单元；采用单元根据这两个低频信号计算得到它们各自对应的相位值；微处理器根据将两个相位值作差，并利用公式计算得到所需测量的尺条长度。本发明还揭示了一种相位式电子卷尺长度的测量方法。本发明使传统卷尺数字化，可以精准、快速地读出卷尺拉出尺条的长度，提高了工作效率；另外，结合软件，也可完成如面积等复杂测量工作。

Description

一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量卷尺，尤其是涉及一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法。
背景技术
卷尺是人们日常工作和生活中不可缺少的长度测量工具，它因体积小巧、使用方便、可随身携带而颇受人们喜爱。传统卷尺，只是在尺条的表面印刷刻度，其结构如图1所示。使用时，需要人工读取数值，这样误差就会很大，当需要计算面积或体积等复杂数据时误差就会更大。因此，这种普通的测量卷尺不仅不方便读数、计算，也降低了工作效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法，利用相位法测距原理，通过检测电流在尺条内流过的时间，来计算尺条的长度。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种相位式电子卷尺，包括微处理器、锁相环、混频器、卷尺、弹性连线和采样单元，所述卷尺内具有尺条，所述尺条为一金属导体，且所述尺条的其中一表面上设有绝缘层，其中，
所述锁相环与微处理器相连，在微处理器的控制下输出两路高频信号，一路为高频主振信号，另一路为高频本振信号；
所述混频器与采样单元相连，用于将所述主振信号和本振信号直接混合后输出一第一低频信号送入所述采样单元，和/或将接到尺条上并在尺条上流过后输出的主振信号与本振信号混合后输出一第二低频信号送入所述采样单元；
所述弹性连线连接尺条，用于将流过尺条的主振信号输出；
所述采样单元与微处理器相连，根据所述第一低频信号得到其对应的第一相位值输出给微处理器，及根据所述第二低频信号得到其对应的第二相位值输出给微处理器；
所述微处理器根据所述第一相位值和第二相位值，计算得到两者的相位差值，并由所述相位差值计算得到所需测量的尺条长度，其中，所述第一低频信号和第二低频信号的频率均等于主振信号和本振信号的频率之差。
优选地，所述混频器包括第一混频器和第二混频器，其中，
所述第一混频器连接锁相环和采样单元，用于将锁相环输出的主振信号和本振信号混合，输出所述第一低频信号给采样单元；
所述第二混频器的输入端与锁相环、弹性连线相连，输出端与采样单元相连，用于将弹性连线输出的流过尺条的主振信号与锁相环输出的本振信号混合，输出所述第二低频信号给采样单元。
优选地，所述采样单元包括第一采样单元和第二采样单元，其中，
所述第一采样单元连接第一混频器和微处理器，用于将由第一低频信号得到的第一相位值输出给微处理器；
所述第二采样单元连接第二混频器和微处理器，用于将由第二低频信号得到的第二相位值输出给微处理器。
优选地，所述相位式电子卷尺还包括合路开关，其中，
所述合路开关的输入端与锁相环和微处理器相连，输出端与尺条和混频器相连，用于在微处理器的控制下将主振信号直接接入混频器，或者将主振信号接尺条；
所述混频器的输入端与弹性连线、合路开关和锁相环均相连，输出端与采样单元相连，用于将合路开关输出的主振信号和锁相环输出的本振信号混合后输出一第一低频信号给采样单元，或者将弹性连线输出的主振信号和锁相环输出的本振信号混合后输出一第二低频信号给采样单元。
优选地，所述微处理器通过公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
优选地，所述主振信号接尺条末端，同时所述弹性连线接卷尺出口处的尺条上。
本发明还提供了另外一种技术方案：一种相位式电子卷尺长度的测量方法，所述电子卷尺包括微处理器、锁相环、混频器、卷尺、弹性连线和采样单元，所述卷尺内具有尺条，所述尺条为一金属导体，且所述尺条的其中一表面上设有绝缘层，所述测量方法包括以下步骤：
所述微处理器控制锁相环输出两路高频信号，一路为高频主振信号，另一路为高频本振信号；
所述混频器将所述主振信号和本振信号直接混合后，输出一第一低频信号给所述采样单元，和/或所述混频器将接到尺条上并从尺条上流过的主振信号与本振信号混合后输出一第二低频信号给所述采样单元；
所述采样单元根据所述第一低频信号得到其对应的第一相位值输出给微处理器，及根据所述第二低频信号得到其对应的第二相位值输出给微处理器；
所述微处理器根据所述第一相位值和第二相位值，计算得到两者的相位差值，并由所述相位差值计算得到所需测量的尺条长度，其中，所述第一低频信号和第二低频信号的频率均等于主振信号和本振信号的频率之差。
优选地，所述微处理器通过公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
优选地，所述采样单元对第一低频信号和第二低频信号分别进行快速傅里叶变换，计算出各自对应的相位值。
本发明利用相位式测距原理，将传统卷尺与锁相环、混频器、采用单元、微处理器结构结合，使用锁相环产生两路高频信号，使用1个或2个混频器，直接混合两路高频信号，和/或将一路高频信号接入尺条的某一测量位置，流经尺条输出后再与另一路高频信号混合，输出两路混频信号；使用采样单元对这两路混频信号分别采样并计算得到各自对应的相位值，最后使用微处理器对两个相位值作差，并通过相应的公式计算得到所需测量的尺条长度。
本发明的有益效果是：本发明使传统卷尺数字化，可以精准、快速地读出卷尺拉出尺条的长度，比人工读数更精确、更方便，且相比其他电子测量方式(如光耦方式、齿轮方式等)，精度更高，提高了工作效率；另外，本发明结合软件，也可完成如面积、体积、圆周、历史数据记录等一定的复杂测量工作。
附图说明
图1是传统卷尺的结构示意图；
图2是本发明实施例1相位式电子卷尺的结构示意图；
图3是本发明实施例2相位式电子卷尺的结构示意图；
图4是本发明实施例2合路开关直接接入混频器的结构示意图；
图5是本发明实施例2合路开关接入尺条的结构示意图；
图6是本发明相位式电子卷尺长度的测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明所揭示的一种相位式电子卷尺及其长度的测量方法，使传统机械卷尺数字化，利用相位式测距原理，根据两路测距用的信号，从两者的相位差，推算出电流在尺条内流过的时间，从而得到尺条的长度，进而完成如面积、体积、圆周、历史数据记录等一些复杂的测量工作。
下面以两个具体实施例来详细描述本发明相位式电子卷尺的结构和工作原理。
如图2所示，本发明实施例1所揭示的一种相位式电子卷尺，包括微处理器(MCU)、锁相环、第一混频器、第二混频器、第一采样单元(ADC1)、第二采样单元(ADC2)、卷尺和金属探针，锁相环与微处理器相连，在微处理器的控制下，输出两路高频信号，一路为高频主振信号f1，另一路为高频本振信号f2。
其中，一路主振信号f1直接与本振信号f2混合，并经采样、相位计算后输出给微处理器处理。具体地，第一混频器的输入端与锁相环的输出端相连，用于混合锁相环输出的主振信号f1和本振信号f2两路高频信号，输出一个可以被第一采样单元采样的低频信号fadc1，信号fadc1的频率＝f1-f2。第一采样单元的输入端与第一混频器的输出端相连，其输出端与微处理器相连，第一采样单元采样上述低频信号fadc1后，对低频信号fadc1进行快速傅里叶变换，计算得到该信号的相位值θadc1，并将该相位值θadc1输出给微处理器处理。
另一路主振信号f1则流过卷尺内的尺条后输出，再与本振信号f2混合后经采样、相位计算输出给微处理器处理。具体地，锁相环输出的一路主振信号f1接卷尺内尺条的末端，主振信号f1从尺条的末端向尺条首端方向流过。金属探针安装在卷尺出口处，且与卷尺内的尺条始终处于弹性接触的状态，用于连接尺条和第二混频器，主振信号f1流经尺条后从卷尺出口输出，通过金属探针传输给第二混频器，这里，从卷尺出口输出的主振信号f1，其频率与锁相环输出的主振信号f1的频率相同、相位则不同。第二混频器的输出端接金属探针和锁相环，用于混合流经尺条的主振信号f1和本振信号f2两路高频信号，输出一个可以被第二采样单元采样的低频信号fadc2，信号fadc2的频率＝f1-f2。第二采样单元的输入端与第二混频器的输出端相连，其输出端与微处理器相连，第二采样单元采样上述低频信号fadc2后，对低频信号fadc2进行快速傅里叶变换，计算得到该信号的相位值θadc2，并将该相位值θadc2输出给微处理器处理。众所周知，在金属导线中，电能的传输速度是每秒三十万公里，与光速同。
微处理器根据相位值θadc1和θadc2，计算得到两者的相位差值θ＝θadc1-θadc2，并根据该相位差值θ，采用公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)，计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
结合图3～图5所示，本发明实施例2所揭示的一种相位式电子卷尺，包括微处理器、锁相环、合路开关、混频器、采样单元(ADC)、卷尺和金属探针，与实施例1中采用两个混频器、两个采样单元的结构不同，实施例2采用一合路开关，将锁相环最初输出的主振信号f1和流经尺条后的主振信号f1切换输出给混频器。
具体地，锁相环与微处理器相连，在微处理器的控制下，输出两路高频信号，一路为高频主振信号f1，另一路为高频本振信号f2。
其中，主振信号f1接入合路开关，本振信号f2接入混频器。首先，结合图3和图4所示，合路开关将主振信号f1直接输出给混频器，使主振信号f1和本振信号f2混合，并经采样、相位计算后输出给微处理器处理。具体地，混频器的输入端与锁相环的输出端、合路开关的输出端相连，用于混合锁相环输出的主振信号f1和本振信号f2两路高频信号，输出一个可以被采样单元采样的低频信号fadc1，信号fadc1的频率＝f1-f2。采样单元的输入端与混频器的输出端相连，其输出端与微处理器相连，采样单元采样上述低频信号fadc1后，对低频信号fadc1进行快速傅里叶变换，计算得到该信号的相位值θadc1，并将该相位值θadc1输出给微处理器处理。
其次，合路开关将主振信号f1接卷尺内尺条的末端，主振信号f1从尺条的末端向尺条首端方向流过。金属探针安装在卷尺出口处，且与卷尺内的尺条始终处于弹性接触的状态，用于连接尺条和混频器，主振信号f1流经尺条后从卷尺出口输出，通过金属探针传输给混频器，这里，从卷尺出口输出的主振信号f1，其频率与锁相环输出的主振信号f1的频率相同、相位则不同。混频器的输出端接金属探针和锁相环，用于混合流经尺条的主振信号f1和本振信号f2两路高频信号，输出一个可以被采样单元采样的低频信号fadc2，信号fadc2的频率＝f1-f2。采样单元的输入端与混频器的输出端相连，采样单元的输出端与微处理器相连，采样单元采样上述低频信号fadc2后，对低频信号fadc2进行快速傅里叶变换，计算得到该信号的相位值θadc2，并将该相位值θadc2输出给微处理器处理。
微处理器根据相位值θadc1和θadc2，计算得到两者的相位差值θ＝θadc1-θadc2，并根据该相位差值θ，采用公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)，计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
需要说明的是，实施例1和实施例2中，锁相环输出的主振信号f1不限于接卷尺内尺条的末端，可以根据需要，接入到尺条需要测量的距离位置处，如当将尺条从卷尺拉出后，可将锁相环输出端接被拉出卷尺外的尺条的末端，金属探针接被拉出卷尺外的尺条的首端，这样便可检测出尺条的拉出长度。还有，上述描述的金属探针为弹性连线的上位概念，即其他可实现将流过尺条的信号输出给混频器的弹性连接件也同样适用于本发明。
另外，本发明中的尺条为金属导体，且尺条的其中一表面上设有绝缘层，即尺条一面为金属面，另一面为绝缘面。
如图6所示，本发明所揭示的一种电子卷尺长度的相位式测量方法，包括以下步骤：
步骤1，微处理器控制锁相环输出两路高频信号，一路为高频主振信号f1，另一路为高频本振信号f2。
步骤2，将主振信号f1和本振信号f2直接混合后，输出一低频信号fadc1给采样单元，和/或将接到尺条上并从尺条上流过的主振信号f1与本振信号f2混合后输出一低频信号fadc2给采样单元。
步骤3，采样单元根据低频信号fadc1得到其对应的相位值θadc1输出给微处理器，及根据低频信号fadc2得到其对应的相位值θadc2输出给微处理器。
具体地，采样单元对低频信号fadc1和低频信号fadc2分别进行快速傅里叶变换，计算出各自对应的相位值。
步骤4，微处理器根据相位值θadc1和θadc2，计算得到两者的相位差值θ＝θadc1-θadc2，并由相位差值θ计算得到所需测量的尺条长度，其中，低频信号fadc1和低频信号fadc2的频率均等于f1-f2。
具体地，微处理器通过公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种相位式电子卷尺，其特征在于，包括微处理器、锁相环、混频器、卷尺、弹性连线和采样单元，所述卷尺内具有尺条，所述尺条为一金属导体，且所述尺条的其中一表面上设有绝缘层，其中，
所述锁相环与微处理器相连，在微处理器的控制下输出两路高频信号，一路为高频主振信号，另一路为高频本振信号；
所述混频器与采样单元相连，用于将所述主振信号和本振信号直接混合后输出一第一低频信号送入所述采样单元，和/或将接到尺条上并在尺条上流过后输出的主振信号与本振信号混合后输出一第二低频信号送入所述采样单元；
所述弹性连线连接尺条，用于将流过尺条的主振信号输出；
所述采样单元与微处理器相连，根据所述第一低频信号得到其对应的第一相位值输出给微处理器，及根据所述第二低频信号得到其对应的第二相位值输出给微处理器；
所述微处理器根据所述第一相位值和第二相位值，计算得到两者的相位差值，并由所述相位差值计算得到所需测量的尺条长度，其中，所述第一低频信号和第二低频信号的频率均等于主振信号和本振信号的频率之差。
2.根据权利要求1所述的相位式电子卷尺，其特征在于，所述混频器包括第一混频器和第二混频器，其中，
所述第一混频器连接锁相环和采样单元，用于将锁相环输出的主振信号和本振信号混合，输出所述第一低频信号给采样单元；
所述第二混频器的输入端与锁相环、弹性连线相连，输出端与采样单元相连，用于将弹性连线输出的流过尺条的主振信号与锁相环输出的本振信号混合，输出所述第二低频信号给采样单元。
3.根据权利要求2所述的相位式电子卷尺，其特征在于，所述采样单元包括第一采样单元和第二采样单元，其中，
所述第一采样单元连接第一混频器和微处理器，用于将由第一低频信号得到的第一相位值输出给微处理器；
所述第二采样单元连接第二混频器和微处理器，用于将由第二低频信号得到的第二相位值输出给微处理器。
4.根据权利要求1所述的相位式电子卷尺，其特征在于，所述相位式电子卷尺还包括合路开关，其中，
所述合路开关的输入端与锁相环和微处理器相连，输出端与尺条和混频器相连，用于在微处理器的控制下将主振信号直接接入混频器，或者将主振信号接尺条。
5.根据权利要求1所述的相位式电子卷尺，其特征在于，所述微处理器通过公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
6.根据权利要求1所述的相位式电子卷尺，其特征在于，所述主振信号接尺条末端，同时所述弹性连线接卷尺出口处的尺条上。
7.一种相位式电子卷尺长度的测量方法，其特征在于，所述电子卷尺包括微处理器、锁相环、混频器、卷尺、弹性连线和采样单元，所述卷尺内具有尺条，所述尺条为一金属导体，且所述尺条的其中一表面上设有绝缘层，所述测量方法包括以下步骤：
所述微处理器控制锁相环输出两路高频信号，一路为高频主振信号，另一路为高频本振信号；
所述混频器将所述主振信号和本振信号直接混合后，输出一第一低频信号给所述采样单元，和/或所述混频器将接到尺条上并从尺条上流过的主振信号与本振信号混合后输出一第二低频信号给所述采样单元；
所述采样单元根据所述第一低频信号得到其对应的第一相位值输出给微处理器，及根据所述第二低频信号得到其对应的第二相位值输出给微处理器；
所述微处理器根据所述第一相位值和第二相位值，计算得到两者的相位差值，并由所述相位差值计算得到所需测量的尺条长度，其中，所述第一低频信号和第二低频信号的频率均等于主振信号和本振信号的频率之差。
8.根据权利要求7所述的相位式电子卷尺长度的测量方法，其特征在于，所述微处理器通过公式D＝(θ*C)/(2Ω*f1)计算得到所需测量的尺条长度，公式中，D为尺条长度，θ为相位差值，C为光速，Ω为圆周率π，f1为主振信号的频率。
9.根据权利要求7所述的相位式电子卷尺长度的测量方法，其特征在于，所述采样单元对第一低频信号和第二低频信号分别进行快速傅里叶变换，计算出各自对应的相位值。
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