CN1327189C - 开关式数字位移传感器 - Google Patents
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Abstract
开关式数字位移传感器涉及一种量测物***移或应变的传感装置。其特征在于：它含有固定在产生相对位移的一个物体上的一条代表刻度的栅格带，该栅格带上的栅格是可导电的栅格，其中每一个栅格均串接在一个电源回路中，该电源回路在栅格所在位置是断开的；还含有一个固定在产生相对位移的另一个物体上的一个开关部件，该开关部件能够随着两个物体产生的相对位移，移至栅格带上的栅格处，使得该栅格所在的回路导通，并从该回路上输出电信号，该电信号经过处理后表示出两个物体的相对位移量。本发明能够精确测量出物体间的相对位移，能够适应恶劣的工作环境，具有可靠性高，稳定性好，成本低的特点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种量测物***移或应变的传感装置。该装置具有很强的抗电磁干扰和抗温度、湿度变化等影响的能力，适用于量程较大的位移测量。
背景技术：
目前，已有很多测量位移和应变的传感装置。这些位移传感装置可分为模拟式和数字式，主要有电位器、电阻应变式、电容式、电感式、涡流式、光电式以及光栅式、感应同步器式和磁栅式等。这些传感装置技术都比较成熟，在适宜的工作环境下，其产品能满足测试要求。(黄继昌、徐巧鱼、张海贵等，传感器工作原理及应用实例，人民邮电出版社，1998年。单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社，1999年。)
例如常见的电位器就是一种简单实用的位移传感器，它的基本原理是采用一个电刷在电阻上滑动，根据电路中电阻的变化来判断电刷的位置，根据电刷与电阻的位移的关系得到物体的位移。但是，由于电位器中电阻的阻值是随温度和湿度环境而变化的，信号传输线电阻及其随温度的变化也会引起误差，而且根据电路中电阻的变化来判断电刷(即物体)的位移其精度也有限，所以电位器的应用存在较大的局限性。
在土木工程等许多涉及现场量测和环境条件复杂的实验室量测中，位移传感器的工作条件往往比较恶劣。温度、湿度、压力等外部条件的剧烈变化以及电磁干扰甚至断电等对位移传感装置的工作稳定性提出了更高的要求。在科研和工程实践的许多位移量测工作中，目前还难以获得量测工作稳定性较高的位移传感器，甚至还可能无法得到测量数据。这主要是因为目前传感器的抗干扰能力难以满足这些测量环境的要求。例如，电位计、电阻应变式等对温度、湿度比较敏感，电容式、电感式、磁栅式等电磁测量原理的传感器一般屏蔽要求较高，这些局限性都会降低位移量测的可靠性。
发明内容：
为了克服现有位移传感装置存在的局限性，满足科研和工程实践位移量测的需要，本发明提供了一种数字型的开关式位移传感器。这种位移传感器的位移感应电路只涉及简单的接通和断开关系。通过物***移带动滑动体在母板上滑动，滑动体在母板上不同的位置将会给出不同的开关信号，由此可判断滑动体在母板上的位置，得出被检测物体的位移。由于电路信号是简单的开和关的数字信号，因此传感器可以适应恶劣的工作环境，可靠性高，稳定性好，且成本低。
本发明所提出的数字型的开关式位移传感器的特征在于：它含有固定在产生相对位移的一个物体上的一条代表刻度的栅格带(B)，该栅格带(B)上的栅格是可导电的栅格，且栅格的宽度与间距相等；在该栅格带(B)的一侧还固定有一条与栅格带(B)绝缘的导电电极(C)，该导电电极(C)与电源的一极连接，在所述导电电极(C)的另一侧还固定有另一条与导电电极(C)绝缘的栅格带(A)，栅格带(A)上的栅格是可导电的栅格；所述栅格带(A)上的栅格的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的偶数倍，且栅格之间的距离远小于栅格的宽度；栅格带(B)上每一个栅格远离导电电极(C)的一端通过各自的导线与数据处理***连接所述栅格带(A)上的每一个栅格远离导电电极(C)的一端也通过各自的导线与数据处理***连接；还含有一个固定在产生相对位移的另一个物体上的一个开关部件，所述开关部件是一个导电材料滑片(D)，该开关部件能够随着两个物体产生的相对位移，移至栅格带(A)和栅格带(B)上的栅格以及导电电极(C)上，形成由栅格带(B)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，和由栅格带(A)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，从该两个回路上输出电信号，该电信号经过处理后表示出两个物体的相对位移量；栅格带(A)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对大数，栅格带(B)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对小数。
所述导电材料滑片(D)的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的2倍。所述栅格带(A)上的栅格之间的间隔是曲线形或折线形。
另一种开关式数字位移传感器，其特征在于，它含有固定在产生相对位移的一个物体上的一条代表刻度的栅格带(B)，该栅格带(B)上的栅格是光电材料的栅格，且栅格的宽度与间距相等；在该栅格带(B)的一侧连接有一条导电电极(C)，该导电电极(C)与电源的一极连接，在所述导电电极(C)的另一侧连接有另一条栅格带(A)，栅格带(A)上的栅格是光电材料的栅格；所述栅格带(A)上的栅格的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的偶数倍，且栅格之间的距离远小于栅格的宽度；栅格带(B)上每一个栅格远离导电电极(C)的一端分别通过各自的导电块(S)与数据处理***连接，所述栅格带(A)上的每一个栅格远离导电电极(C)的一端也分别通过各自的导电块(0)与数据处理***连接；还含有一个固定在产生相对位移的另一个物体上的一个开关部件，所述开关部件是一个发光光源，该发光光源能够随着两个物体产生的相对位移，移至栅格带(A)和栅格带(B)的栅格以及导电电极(C)上方，通过照射使得栅格带(A)和栅格带(B)上的栅格导电，形成由栅格带(B)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，和由栅格带(A)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，从该两个回路上输出电信号，该电信号经过处理后表示出两个物体的相对位移量；栅格带(A)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对大数，栅格带(B)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对小数。
所述光源发出的光的宽度为所述栅格带(B)上的栅格宽度的2倍。所述光源是激光发射器。所述栅格带(A)上的栅格之间的间隔是曲线形或折线形。
实验证明，本发明所提出的数字型的开关式位移传感器能够精确测量出物体间的相对位移，且能够适应恶劣的工作环境，可靠性高，稳定性好，成本也较低，达到了预期的目的。
附图说明：
图1是触片式数字型开关式位移传感器的实施例图；
图2是数字型开关式位移传感器的数据处理电路的原理框图；
图3是光电式数字型开关式位移传感器的实施例图。
具体实施方式：
本发明所提出的数字型开关式位移传感器的基本思想是：其位移感应电路由两部分组成，一部分是固定在一个物体上的栅格带，另一部分是固定在产生相对位移的另一个物体上的开关部件，物体的移动带动滑动体(即开关部件)在母板(即栅格带)上滑动，滑动体在母板上不同的位置将会给出不同的开关信号，由此可判断滑动体在母板上的位置，得出被检测物体的位移。
上述栅格所用的材料，可为金属导电体，相应的导电材料滑片也使用金属导电体；栅格也可使用光电材料，相应的导电材料滑片则用光源替代。
一.栅格使用金属导电体的位移传感器
1.在位移传感器中仅使用格栅B
如图1所示，在长条形不导电母板上镀上栅格B和电极C，阴影部分代表导电体，非阴影部分不导电。栅格带B随同母板固定在产生相对位移的一个物体上，每个栅格的宽度相等，间距也相等，且栅格宽度与间距等值，如为1毫米，C为整条导电电极，位于栅格带B的一侧，与直流电压的一极相接，但与栅格不接触。D为金属滑片，其宽度为B排栅格的两倍，它与B栅格和C电极良好接触。B排栅格分别通过导线经过必要处理后连接直流电压的另一极，这样由导电电极C和B排上的各栅格、直流电源构成了许多回路，每一个回路在栅格与导电电极C之间的间隙处断开。在初始状态位移为零时，滑片D左侧与右边第一个栅格的左侧靠齐。检测位移时，滑片D随着物体的移动而移动，当覆盖在某一个栅格上时，该栅格的回路导通，回路中产生电信号，在回路中接上输出端子G，将信号输出到数据处理电路中处理，可得知滑片D在母板上的位置，滑片D滑过的距离即为物体产生的位移。
B栅格的宽度和间距可以随实际需要而适当调整，调整时最好保证每个栅格的宽度相等，间距也相等，且栅格宽度与间距等值。
无论任何时候，滑片D都要能够与B栅格接触上。如果滑片D的宽度小于B栅格的间距时，就会出现D滑片能够处在B栅格的间隔中不导电位置的情况，这时滑片D就不能给出栅格B的信号，导致数据处理结果出现误差。所以D滑片宽度最好大于B栅格的间距。而为了传感器位移判断上的便利，将D滑片做成B栅格间距(B栅格等宽等间距)的两倍最为方便。
呈整条形的导电电极C也可以用其他能够保证滑片D与电源的一极保持连通的方法来代替，例如用一根导线将电源的一极与滑片D相连。在滑片D滑动时，该导线与滑片D保持连接，使滑片D与直流电压的一极相接。
2.位移传感器在格栅B的基础上增加格栅A
只使用上述的栅格B，已能够进行滑片D位置的判断。但是，当需要测量的量程较大时，B栅格上的栅格数量将比较大，按上述基本原理的接线和信号处理都比较复杂，因此提出了一种量程较大时接线和信号处理比较简单的优化方法。
如图1所示，在原有栅格带B的基础上，在长条形不导电母板上再镀上一排导电体栅格A，栅格A位于导电电极C的另一侧，每一栅格也串接在回路中，栅格间每隔一定距离断开(距离应为B栅格上栅格宽度的偶数倍)，如10毫米。
栅格B由若干个结构相同的单元组成，图1中给出了第①、②个单元和第③个单元的一部分，本例子中每个单元由5个栅格组成。当滑片D在栅格B上滑动时，可以判断滑片D在B栅格单元中位于该单元的第几个栅格上；同时，滑片D也在栅格A上滑动，并根据在栅格A上的位置判别此时滑片D位于栅格B的第几个单元上。因此，通过滑片D的信号可以判断滑片D位于栅格B的第几个单元以及该单元上的第几个栅格上，从而确定滑片D的位置。
也就是说，将滑片的位置判断分为两部分，一部分表示滑片位置的相对大数(代表滑片位于哪个单元)，另一部分表示滑片位置的相对小数(滑片位于特定单元上的第几个栅格)。传感装置分别判断滑片位置的相对大数和相对小数，合在一起就可确定滑片的位置。然后，根据滑片的位置，用数据处理***和数字仪表显示出物体的位移。
而A排栅格的宽度只需保证等于B排栅格一个单元的总宽度即可。A栅格中各栅格间的接缝很窄(远小于A栅格的宽度，本例中用1mm)，而且做成曲线或折线(如图1中所示)，是为了保证滑片D在滑过两块相邻A栅格时，能够同时接触上相邻的这两块A栅格，然后根据栅格B上的位置判断结果利用单片机来判断此时滑片D应该属于这两块A栅格中的哪一块。而如果A栅格做成像B栅格一样的竖直线断开，则在滑片D滑过两块相邻A栅格时，就很容易造成误判。
3.传感器的信号处理
在进行位移测量时，可使用单片机进行信号分析和处理。
图2是图1中各栅格输出端子连接单片机的示意图，H为单片机，I为单片机电源，J为单片机数据采集点，K为单片机数据输入端。L为单片机数据输出端，M为数字显示设备。
在初始状态，滑片D位移为零，该滑片左侧与右边第一个B栅格的左侧并齐。从A排栅格和B排栅格引出导线，分别与单片机的一个输入引脚相连。单片机可以判断引线上的电平信号。当滑片D在母板上滑动时，会覆盖A和B上位于同一位置处的栅格，该两个栅格所在回路导通，其电路导通时，引出线为高电平。单片机得到了相应引出线的电平信号，然后根据内部程序判断出滑片D在A栅格和B栅格上的位置，进而得到滑片D在母板上的滑动位移。
为了使用上的方便，还可以直接将单片机植入到传感器中，而只需从传感器外部提供电源，并通过传感器的接口将单片机处理过的数据输出。
二.将栅格导电材料换为光电材料的位移传感器
另一种实施方式为(见图3)：将A、B排栅格材料换成光电材料，这种材料在光线照射时导电，无光照时不导电；将滑片D换成为光源D，光源可选用激光发射器，激光发射器具有光源稳定等特点。光线的宽度为B排栅格宽度的两倍。但此时导电电极C应与A、B排栅格接触，在A栅格的另一端连接导电块O，在B栅格的另一端连接导电块S，其余均与上述触片式的连接方式一致，测量位移时数据处理方法仍然不变。由于光源D与各栅格并不直接接触，且光电材料栅格的尺寸可以很小，因此可以较大幅度地提高传感器工作的可靠性和测量精度。
Claims (7)
1、开关式数字位移传感器，其特征在于，它含有固定在产生相对位移的一个物体上的一条代表刻度的栅格带(B)，该栅格带(B)上的栅格是可导电的栅格，且栅格的宽度与间距相等；在该栅格带(B)的一侧还固定有一条与栅格带(B)绝缘的导电电极(C)，该导电电极(C)与电源的一极连接，在所述导电电极(C)的另一侧还固定有另一条与导电电极(C)绝缘的栅格带(A)，栅格带(A)上的栅格是可导电的栅格；所述栅格带(A)上的栅格的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的偶数倍，且栅格之间的距离远小于栅格的宽度；栅格带(B)上每一个栅格远离导电电极(C)的一端通过各自的导线与数据处理***连接所述栅格带(A)上的每一个栅格远离导电电极(C)的一端也通过各自的导线与数据处理***连接；还含有一个固定在产生相对位移的另一个物体上的一个开关部件，所述开关部件是一个导电材料滑片(D)，该开关部件能够随着两个物体产生的相对位移，移至栅格带(A)和栅格带(B)上的栅格以及导电电极(C)上，形成由栅格带(B)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，和由栅格带(A)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，从该两个回路上输出电信号，该电信号经过处理后表示出两个物体的相对位移量；栅格带(A)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对大数，栅格带(B)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对小数。
2、如权利要求1所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述导电材料滑片(D)的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的2倍。
3、如权利要求1所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述栅格带(A)上的栅格之间的间隔是曲线形或折线形。
4、如权利要求1所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，它含有固定在产生相对位移的一个物体上的一条代表刻度的栅格带(B)，该栅格带(B)上的栅格是光电材料的栅格，且栅格的宽度与间距相等；在该栅格带(B)的一侧连接有一条导电电极(C)，该导电电极(C)与电源的一极连接，在所述导电电极(C)的另一侧连接有另一条栅格带(A)，栅格带(A)上的栅格是光电材料的栅格；所述栅格带(A)上的栅格的宽度是所述栅格带(B)上的栅格宽度的偶数倍，且栅格之间的距离远小于栅格的宽度；栅格带(B)上每一个栅格远离导电电极(C)的一端分别通过各自的导电块(S)与数据处理***连接，所述栅格带(A)上的每一个栅格远离导电电极(C)的一端也分别通过各自的导电块(O)与数据处理***连接；还含有一个固定在产生相对位移的另一个物体上的一个开关部件，所述开关部件是一个发光光源，该发光光源能够随着两个物体产生的相对位移，移至栅格带(A)和栅格带(B)的栅格以及导电电极(C)上方，通过照射使得栅格带(A)和栅格带(B)上的栅格导电，形成由栅格带(B)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，和由栅格带(A)的栅格、导电电极(C)和数据处理***构成的回路，从该两个回路上输出电信号，该电信号经过处理后表示出两个物体的相对位移量；栅格带(A)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对大数，栅格带(B)上的栅格所在的回路输出的电信号经过处理后得到位移测量值的相对小数。
5、如权利要求4所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述光源发出的光的宽度为所述栅格带(B)上的栅格宽度的2倍。
6、如权利要求4所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述光源是激光发射器。
7、如权利要求4所述的开关式数字位移传感器，其特征在于，所述栅格带(A)上的栅格之间的间隔是曲线形或折线形。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070718 Termination date: 20120617 |