專利名稱：線位移與角位移測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位移測定裝置，特別是采用光陣列的線位移與角位移測定裝置。
背景技術(shù)：
線位移與角位移測定裝置廣泛應(yīng)用于沖壓機(jī)械等大型裝備的定位(沖模高度控 制)、材料裝卸機(jī)械的地址檢測記憶、鋼鐵領(lǐng)域的壓延軋輥控制、造紙機(jī)械的狹縫寬度控制 等場合?，F(xiàn)有技術(shù)中，高精度角位移和線位移測量主要采用莫爾條紋的光柵方法，但該方法 抗環(huán)境干擾能力較差，如油污和灰塵會影響其可靠性，且制作成本高；感應(yīng)同步器及磁柵的 精度較低，具有二進(jìn)制碼和格雷碼的碼盤式裝置，由于碼盤的碼道加工精度限制，其測量方 法的精度也較低。本專利對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)方向是在保持較高精度的條件下，降低成本， 提高抗環(huán)境干擾能力。

實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)方向，本專利的提供一種精度高、成本低、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng) 的線位移與角位移測定裝置。本專利的實(shí)質(zhì)是測量兩個運(yùn)動物體之間的相對線位移和角位移。光接收元件(2) 陣列及相關(guān)電路安裝在一個物體上，光調(diào)制單元(7)陣列安裝在另一物體上；光發(fā)射元件 (1)陣列具有兩種安裝選擇在直射式及反射式測定裝置中，光發(fā)射元件(1)陣列與光接收 元件(2)陣列安裝在同一物體上；在分離式測定裝置中，光發(fā)射元件(1)陣列與光調(diào)制單元 (7)陣列安裝在同一物體上。其實(shí)現(xiàn)方案是光接收元件(2)陣列與數(shù)據(jù)處理器(4)及16 路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)安裝在電路板(3)上，光調(diào)制單元(7)陣列位于光發(fā)射元件(1)陣列 與光接收元件(2)陣列之間；數(shù)據(jù)處理器(4)的I/O 口線連接移位寄存器(8)，所有移位寄 存器(8)依次級聯(lián)，移位寄存器(8)通過三極管(9)對光接收元件(2)陣列上的四組光接 收元件(2)上電，每組光接收元件(2)由四個光接收元件(2)組成，每四組光接收元件(2) 的對應(yīng)位置的光接收元件(2)輸出引腳連接，使光接收元件⑵陣列的輸出引腳合并為16 個，這16個輸出引腳連接電阻(10)陣列及16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸入，電阻(10)陣列 的另一端接地，16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸出與數(shù)據(jù)處理器(4)連接，數(shù)據(jù)處理器(4)將結(jié) 果通過Tx、RX輸出；光接收元件(2)陣列各光接收元件(2)之間間距ν相等；光調(diào)制單元(7)陣列中段各光調(diào)制單元(7)之間間距u相等，但光調(diào)制單元(7) 之間間距u與光接收元件⑵之間間距ν不相等，光調(diào)制單元(7)陣列兩端的遮光單元(6) 的寬度大于光接收元件(2)之間間距ν ；上述裝置的工作原理是在透明基片中段沉積光衰減膜并使其厚度按例如余弦規(guī) 律變化，在透明基片兩端沉積很厚且均勻的光衰減膜即制作完成光調(diào)制單元(7)陣列，光 調(diào)制單元(7)陣列對光發(fā)射元件⑴陣列的光進(jìn)行調(diào)制，使各光接收元件(2)接收到的光具有強(qiáng)弱變化規(guī)律，數(shù)據(jù)處理器(4)通過離散傅立葉分析求出光調(diào)制單元(7)陣列的線位 移或角位移。在這種測試裝置中，光調(diào)制單元(7)內(nèi)光衰減膜的厚度是漸變的，相應(yīng)的稱為 模擬型線位移與角位移測定裝置。如光調(diào)制單元(7)陣列是在非透明基片上開窗制作的， 則相應(yīng)的線位移與角位移測定裝置被稱為數(shù)字型的，這時，需要通過位序列匹配算法求出 光調(diào)制單元(7)陣列的線位移或角位移，16路A/D需用施密特觸發(fā)器替代。數(shù)字型線位移 與角位移測定裝置的原理類似于游標(biāo)卡尺原理，在游標(biāo)卡尺中也有三個陣列，即基尺刻度 陣列、游標(biāo)刻度陣列、人眼掃描接收陣列，游標(biāo)刻度陣列與基尺刻度陣列疊加后形成調(diào)制信 號，人眼逐點(diǎn)掃描得到調(diào)制信號序列，人腦對該調(diào)制信號序列進(jìn)行處理得到線位移和角位 移。這一原理實(shí)際上是要求具有在空間上被調(diào)制的陣列光信號和光接收元件(2)陣列，據(jù) 此，光發(fā)射元件(1)陣列也可以是均勻發(fā)光片，這時，由光調(diào)制單元(7)陣列得到在空間上 被調(diào)制的陣列光信號。 上述裝置的工作過程是上述裝置中所有移位寄存器(8)級聯(lián)形成移位寄存器陣列，每組光接收元件(2)由四個光接收元件(2)組成，數(shù)據(jù)處理器(4)通過I/O口線 操作移位寄存器(8)陣列，使移位寄存器(8)陣列中相鄰的四個輸出引腳為低電平且步進(jìn) 環(huán)移，每次步進(jìn)一組共四個光接收元件(2)，這四個輸出低電平的引腳通過三極管(9)對光 接收元件(2)陣列上的四組光接收元件(2)上電，電阻(10)陣列使光接收元件(2)的光電 流變換成電壓，該電壓被16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)采集并輸出到數(shù)據(jù)處理器(4)，數(shù)據(jù)處理 器(4)進(jìn)行判斷如未采樣到完整的光調(diào)制信號序列，則操作移位寄存器(8)陣列環(huán)移，進(jìn) 行步進(jìn)掃描，重復(fù)判斷；如已采樣到完整的光調(diào)制信號序列，則計算光調(diào)制單元(7)陣列的 位置，并將結(jié)果通過Tx、RX輸出。當(dāng)一個物體上的陣列延伸到整個測量范圍時，該陣列叫做靜尺，另一個物體上的 陣列叫做動尺。如光接收元件(2)陣列安裝在基座上并延伸遍及整個測量范圍，則稱為靜 尺；光調(diào)制單元(7)陣列與遮光單元(6)較短并安裝在被測的運(yùn)動物體上，則稱為動尺； 但也可使光接收元件(2)陣列較短并安裝在被測的運(yùn)動物體上作為動尺，而以光發(fā)射元件 (1)陣列延伸到整個測量范圍作為靜尺。對陣列式測量裝置，可以通過離散傅立葉分析等陣列信號處理方法提高測試精 度；陣列機(jī)構(gòu)使信號的采集擴(kuò)展到光調(diào)制單元(7)陣列范圍，局部的油污和灰塵對測試精 度的影響被抑制；由于采用光發(fā)射元件(1)和光接收元件(2)的成本低，使得整個裝置的成 本大大降低，特別是，可以進(jìn)一步采用CCD技術(shù)和工藝，更可以進(jìn)一步發(fā)揮本專利的獨(dú)特優(yōu) 勢。因此，本專利所述線位移與角位移測定裝置具有明顯優(yōu)點(diǎn)，是對現(xiàn)有技術(shù)是一個較好的 改進(jìn)。

圖1線位移直射式光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列結(jié)構(gòu)圖；圖2線位移光調(diào)制單元(7)陣列結(jié)構(gòu)圖；圖3直射式線位移測定裝置結(jié)構(gòu)簡圖；圖4線位移與角位移測定裝置電路簡圖；圖5反射式線位移測定裝置結(jié)構(gòu)簡圖；圖6分離式線位移測定裝置結(jié)構(gòu)簡圖；[0017]圖7角位移直射式光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列結(jié)構(gòu)圖；圖8角位移光調(diào)制單元(7)陣列結(jié)構(gòu)圖；圖9直射式角位移測定裝置結(jié)構(gòu)簡圖；圖中1光發(fā)射元件，2光接收元件，3電路板，4數(shù)據(jù)處理器，516路A/D轉(zhuǎn)換模塊， 6遮光單元，7光調(diào)制單元，8移位寄存器，9三極管，10電阻。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 如圖1，將光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列焊接在電路板(3) 上，一對光發(fā)射元件(1)與光接收元件(2)也可由一個光斷續(xù)器替代；如圖2，在透明基片 中段沉積光衰減膜并使其厚度按余弦規(guī)律變化，在透明基片兩端沉積很厚且均勻的光衰減 膜制作成模擬型光調(diào)制單元(7)陣列(a)，如在非透明基片上開窗制作則可以制作成數(shù)字 型光調(diào)制單元(7)陣列(b)，光調(diào)制單元(7)陣列兩邊的遮光單元(6)的寬度應(yīng)大于光接 收元件⑵之間的間距ν ；如圖3，以光發(fā)射元件⑴陣列與光接收元件(2)陣列及電路作 為靜尺安裝在基座上，光調(diào)制單元(7)陣列作為動尺安裝在運(yùn)動的被測位移的物體上，并 使光調(diào)制單元(7)陣列位于光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列之間，當(dāng)被測位移 的物體移動時，光調(diào)制單元(7)陣列對光發(fā)射元件(1)陣列發(fā)射的光進(jìn)行調(diào)制，光接收元件 (2)陣列接收這一調(diào)制光序列，通過數(shù)據(jù)處理器(4)得到運(yùn)動物體的位移值；如圖4，所有移 位寄存器(8)級聯(lián)形成移位寄存器(8)陣列，每組光接收元件(2)由四個光接收元件(2) 組成，數(shù)據(jù)處理器(4)通過I/O 口線操作移位寄存器(8)陣列，使移位寄存器(8)陣列中相 鄰的四個輸出引腳為低電平且步進(jìn)環(huán)移，每次步進(jìn)一組共四個光接收元件(2)，這四個輸出 低電平的引腳通過三極管(9)對光接收元件(2)陣列上的四組光接收元件(2)上電，電阻 (10)陣列使光接收元件(2)的光電流變換成電壓，該電壓被16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)采集并 輸出到數(shù)據(jù)處理器(4)，數(shù)據(jù)處理器(4)進(jìn)行判斷如未采樣到完整的光調(diào)制信號序列，則 操作移位寄存器(8)陣列環(huán)移，進(jìn)行步進(jìn)掃描，重復(fù)上述判斷；如已采樣到完整的光調(diào)制信 號序列，則計算光調(diào)制單元(7)陣列的位置，并將結(jié)果通過Tx、RX輸出。實(shí)施例2 如圖5，在光調(diào)制單元(7)陣列上制作反射膜，將光發(fā)射元件(1)陣列 與光接收元件(2)陣列焊接在一條線上，其余與實(shí)施例1相同，即構(gòu)成反射式線位移測定裝 置。同樣，也可以將光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列用反射式斷續(xù)器陣列替代。實(shí)施例3 如圖6，將光調(diào)制單元(7)陣列與光發(fā)射元件(1)陣列安裝在一起安裝 在運(yùn)動的被測位移的物體上作為動尺，以光接收元件(2)陣列及電路作為靜尺安裝在基座 上，其余與實(shí)施例1相同，即構(gòu)成分離式線位移測定裝置，這里所說的“分離”是指光發(fā)射元 件(1)陣列與光接收元件(2)陣列分開安裝在運(yùn)動物體和基座上，需要同步控制光發(fā)射元 件(1)陣列的光發(fā)射，并通過數(shù)據(jù)處理器對光接收元件(2)陣列進(jìn)行掃描操作；從原理上 講，本專利所述光陣列的線位移與角位移測定裝置要求的兩個必備陣列即，在空間上被調(diào) 制的光信號陣列和光接收元件(2)陣列，在使用上可交換，因此，也可將光調(diào)制單元(7)陣 列與光接收元件(2)陣列安裝在一起作為動尺，以光發(fā)射元件(1)陣列作為靜尺，并通過數(shù) 據(jù)處理器控制對光發(fā)射元件(2)陣列進(jìn)行掃描操作，同時計算動尺的位置。本例中，動尺其 作用是發(fā)出在空間上被調(diào)制的陣列光信號，因此，動尺也可以通過選擇光發(fā)射元件(1)之 間的間距和發(fā)射角度而發(fā)出在空間上被調(diào)制的光信號陣列來實(shí)現(xiàn)，而無需實(shí)際使用光調(diào)制單元(7)陣列，這時，光發(fā)射元件(1)之間的間距與光接收元件(2)之間的間距不相等，另 外，在本專利實(shí)施例1、2及4中，在沒有動尺的部位，光接收單元(2)接收到的光信號均為 最大，而在本實(shí)施例中，在沒有動尺的部位，光接收單元(2)接收到的光信號為零，與此相 適應(yīng)，本實(shí)施例中，動尺的光信號陣列兩端應(yīng)改為發(fā)光單元，以便與遮光單元(6)對應(yīng)。 實(shí)施例4:如圖7、圖8、圖9，將光發(fā)射元件(1)陣列、光接收元件(2)陣列、光調(diào)制 單元(7)陣列制作成環(huán)形，其余與實(shí)施例1相同，即構(gòu)成直射型光陣列角位移測定裝置。同 樣，也可相應(yīng)的制作反射型或分離型光陣列角位移測定裝置。
權(quán)利要求一種線位移與角位移測定裝置，其特征在于光接收元件(2)陣列與數(shù)據(jù)處理器(4)及16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)安裝在電路板(3)上，光調(diào)制單元(7)陣列位于光發(fā)射元件(1)陣列與光接收元件(2)陣列之間；數(shù)據(jù)處理器(4)的I/O 線連接移位寄存器(8)，所有移位寄存器(8)依次級聯(lián)，移位寄存器(8)通過三極管(9)對光接收元件(2)陣列上的四組光接收元件(2)上電，每組光接收元件(2)由四個光接收元件(2)組成，每四組光接收元件(2)的對應(yīng)位置的光接收元件(2)輸出引腳連接，使光接收元件(2)陣列的輸出引腳合并為16個，這16個輸出引腳連接電阻(10)陣列及16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸入，電阻(10)陣列的另一端接地，16路A/D轉(zhuǎn)換模塊(5)的輸出與數(shù)據(jù)處理器(4)連接，數(shù)據(jù)處理器(4)將結(jié)果通過Tx、RX輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線位移與角位移測定裝置，其特征在于所述光接收元件(2) 陣列上各光接收元件(2)之間間距ν相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線位移與角位移測定裝置，其特征在于光調(diào)制單元(7)陣 列中段各調(diào)制單元⑷之間間距u相等，但調(diào)制單元(4)之間間距u與光接收元件(2)之 間間距ν不相等，光調(diào)制單元(7)陣列兩端的遮光單元(6)的寬度大于光接收元件(2)之 間間距V。
專利摘要本專利用于測量兩個物體之間的相對線位移和角位移。其實(shí)現(xiàn)方案是光接收元件陣列與數(shù)據(jù)處理器及16路A/D轉(zhuǎn)換模塊安裝在電路板上；數(shù)據(jù)處理器的I/O口線連接移位寄存器，移位寄存器通過三極管對光接收元件陣列上的四組光接收元件上電，數(shù)據(jù)處理器將結(jié)果通過Tx、RX輸出。本專利采用陣列式測量裝置，可以通過離散傅立葉分析方法提高測試精度；局部的油污和灰塵對測試精度的影響被抑制；由于采用光發(fā)射元件和光接收元件，使得整個裝置的成本大大降低。
文檔編號G01B11/02GK201622063SQ20092022806
公開日2010年11月3日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者曹大平 申請人:曹大平