專利名稱：開關式數字角位移傳感器及其應用的制作方法
技術領域：
開關式數字角位移傳感器及其應用屬于量測物體位移或應變的傳感裝置設計技術領域。
背景技術：
本申請人曾于2005年6月17日申請了發明專利“開關式數字位移傳感器”，申請號200510011955.8，于2005年7月15日申請了發明專利“使用位移放大的開關式數字位移傳感器”，申請號200510012185.9。在上述兩項專利申請中，披露了幾種開關式數字位移傳感器。如圖1所示，在長條形不導電母板上鍍上柵格B和電極C，陰影部分代表導電體，非陰影部分不導電。柵格帶B隨同母板固定在產生相對位移的一個物體上，每個柵格的寬度相等，間距也相等，且柵格寬度與間距等值，C為整條導電電極，位于柵格帶B的一側，與高電平(或者低電平)相接，但與柵格不接觸。D為金屬滑片開關元件，其寬度為B排柵格的兩倍，它與B柵格和C電極良好接觸。B排柵格分別通過導線經過必要處理后連接低電平(或者高電平)，這樣由導電電極C和B排上的各柵格、直流電源構成了許多回路，每一個回路在柵格與導電電極C之間的間隙處斷開。在初始狀態位移為零時，滑片D左側與右邊第一個柵格的左側靠齊。檢測位移時，滑片D隨著物體的移動而移動，當覆蓋在某一個柵格上時，該柵格的回路導通，回路中產生電信號，在回路中接上輸出端子G，將信號輸出到數據處理電路中處理，可得知滑片D在母板上的位置，滑片D滑過的距離即為物體產生的位移。
B柵格的寬度和間距可以隨實際需要而適當調整，調整時最好保證每個柵格的寬度相等，間距也相等，且柵格寬度與間距等值。
無論任何時候，滑片D都要能夠與B柵格接觸上。如果滑片D的寬度小于B柵格的間距時，就會出現D滑片能夠處在B柵格的間隔中而不碰上任何導電柵格的情況，這時就不能判斷滑片D究竟處于柵格帶B上的什么位置，從而可能導致位移測量結果失敗或者出現誤差。所以D滑片寬度最好大于B柵格的間距以避免出現滑片D碰不上任何柵格的情況。而當D滑片寬度大于B柵格的間距時，則會出現D滑片同時碰上兩個以上B柵格的情況，這時就可以聯合這兩個(或幾個)B柵格而確定D滑片的位置。但是為了傳感器位移判斷處理上的便利，將D滑片與柵格的接觸寬度做成B柵格間距(B柵格等寬等間距)的兩倍最為方便。因為在B柵格等間距等寬度的條件下，D滑片寬度等于B柵格間距兩倍時，D滑片同時碰上兩個柵格(代表了D滑片處于這兩個柵格之間的空位的位置)的概率和D滑片只碰上一個柵格(代表了D滑片處于這個柵格的位置)的概率是相等的，那么B柵格這個“刻度尺”的刻度就是線性的，均勻的，這就十分方便。而如果D滑片的寬度大于B柵格間距但是不等于其間距的二倍，那么B柵格這個“刻度尺”由D來“讀”時其“刻度”就不一定是線性的，均勻的，雖然采用數據處理等方法仍有可能識別，但是不太方便，所以不可取。
圖1中柵格帶B上方的柵格帶A是另一條代表大刻度的柵格帶。量程較大時，顯然B柵格上的柵格數量也應該比較大，按上述基本原理的接線和信號處理都比較復雜，因此提出了在格柵帶B的基礎上增加格柵帶A而代表大刻度。如圖，在原有柵格帶B的基礎上，在長條形不導電母板上再增加一排導電體柵格A，柵格A位于導電電極C的另一側，每一柵格也串接在回路中，柵格間每隔一定距離斷開，分縫的中心距應為B柵格上柵格寬度的偶數倍。
柵格帶B由若干個結構相同的單元組成，圖1中給出了第①、②個單元和第③個單元的一部分，本例子中柵格B的每個單元由5個柵格組成。柵格A的分縫間的距離應為B柵格帶一個單元的寬度。當滑片D在柵格帶B上滑動時，可以判斷滑片D在B柵格帶的每個單元中位于該單元的第幾個柵格上；同時，滑片D也在柵格A上滑動，結合滑片D在柵格A上的位置判別此時滑片D位于柵格帶B的第幾個單元上。因此，通過滑片D的信號可以判斷滑片D位于柵格帶B的第幾個單元以及該單元上的第幾個柵格上，從而確定滑片D的位置。
也就是說，將滑片的位置判斷分為兩部分，一部分表示滑片位置的相對大數(代表滑片位于哪個單元)，另一部分表示滑片位置的相對小數(滑片位于特定單元上的第幾個柵格)。傳感裝置分別判斷滑片位置的相對大數和相對小數，合在一起就可確定滑片的位置(這實際上是將位置編碼的一種方式，滑片位置的信息確定由不同的編碼組合確定)。然后，根據滑片的位置，用數據處理系統和數字儀表顯示出物體的位移。
而A排柵格的寬度只需保證等于B排柵格的一個單元的總寬度即可。A柵格中各柵格間的接縫比較窄，應該小于滑片D的寬度，這是為了保證滑片D在滑過兩塊相鄰A柵格時，能夠同時接觸上相鄰的這兩塊A柵格，而不會出現滑片D落在相鄰的兩個A柵格之間卻不碰上任何A柵格的情況。當滑片D同時接觸上相鄰的兩塊A柵格時，根據柵格B上的位置信息利用單片機根據已知的判斷規則來判斷此時滑片D在位置的邏輯意義上是處于兩塊A柵格中的哪一塊上，進而即可判斷出滑片D在整條柵格帶上的位置。
圖2所示是以激光發射器作為開關元件的位移傳感器，與圖1的不同點在于，柵格帶B上的柵格是特殊的光電材料(這種光電材料光照時電阻很小，無光照時電阻很大，因此光照時是相對導通狀態，無光照時是相對絕緣狀態)，在柵格兩端均連接普通導電材料塊C和S，并通過導電塊串接在回路中，激光掃描到的柵格導電，回路導通。圖2中柵格帶A是表示大刻度的柵格帶，柵格間每隔一定距離斷開，分縫的中心距應為B柵格上柵格寬度的偶數倍。
圖3是200510012185.9專利申請中的采用位移放大的開關式數字位移傳感器的方案圖，其中采用了齒輪放大的方式將線位移先轉變為角位移，同時進行角位移放大，再進行測量，其柵格帶R為環形，上面分布有光電材料的柵格(與圖2所示一致)，R環繞著軸X分布，軸X上裝有激光發射器。U為刻有條紋的導條，當U移動時，帶動齒輪放大系統中的軸V，齒輪W，軸X旋轉，使得激光T在柵格帶R上掃描。信號處理原理與觸片式的一致，柵格帶R的柵格的分布方式與200510011955.8專利申請中的方案是一致的。
發明內容
本發明的目的在于，基于上述開關式數字傳感原理提出一種開關式數字角位移傳感器，這種傳感器能夠檢測出物體產生的角位移，還進一步提出了這種傳感器在角位移檢測器中的應用。
本發明的特征在于，含有與產生角位移的物體同軸旋轉的光源(T)，以光源所在軸為圓心環繞著一條環形柵格帶(R)，所述柵格帶(R)上有等寬、等距，且寬度和距離相等的光電材料的柵格，該柵格帶(R)的一側連接有一條環形導體(Q)，該柵格帶(R)上的每一塊柵格的另一側連接有導電塊(S)，所述柵格通過環形導體(Q)和導電塊(S)串接在電源回路中；所述光源(T)發射的光的寬度大于環行柵格帶(R)上的柵格的寬度；當物體旋轉時，帶動光源(T)旋轉，該光源(T)發射出的光掃描柵格帶(R)上的柵格，使得被掃描到的柵格導電，該柵格所在的回路導通，在該回路上輸出的電信號經過處理得到物體的角位移量。
所述開關式數字角位移傳感器作為電子經緯儀角度測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是經緯儀的豎軸(S)，在豎軸(S)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述豎軸(S)為圓心，當豎軸(S)旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
所述的開關式數字角位移傳感器作為電子經緯儀角度測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是經緯儀的豎軸(S)，所述柵格帶(R)以所述豎軸(S)為圓心分布，在所述豎軸(S)上套有一個可繞該豎軸(S)旋轉的套筒式齒輪(X)，在套筒式齒輪(X)上裝有光源(T)，所述豎軸(S)通過一套齒輪放大機構帶動套筒式齒輪(X)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
所述齒輪放大機構含有固定在所述豎軸(S)上的齒輪盤U，該齒輪盤(U)與另一根軸(Z)嚙合，該軸(Z)上固定有一個與所述豎軸(S)嚙合的齒輪盤(Y)，所述豎軸(S)轉動，依次帶動齒輪盤(U)、軸(Z)、齒輪盤(Y)和套筒式齒輪(X)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
所述的開關式數字角位移傳感器作為方位角測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的地磁磁針(M)，在地磁磁針(M)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述軸(X)為圓心分布，當地磁磁針在地磁場作用下旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
所述的開關式數字角位移傳感器作為傾角測量儀的應用，其特正在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的固體擺(G)，在固體擺(G)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述軸(X)為圓心分布，當固體擺(G)在重力作用下旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
所述的開關式數字角位移傳感器作為傾角測量儀的應用，其特正在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的固體擺(G)，所述柵格帶(R)以另一根軸(W)為圓心分布，在所述軸(W)上裝有光源(T)，所述固體擺(G)通過一套齒輪放大機構帶動軸(W)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
所述齒輪放大機構含有一個與固體擺(G)嚙合的軸(Y)，和一個固定在軸(Y)上且與所述軸(W)嚙合的齒輪盤(V)，所述固體擺(G)旋轉依次帶動軸(Y)、齒輪盤(V)和軸(W)旋轉。
一種采用開關式數字位移傳感技術的數字卡尺，其特征在于，含有可相對滑動的主尺和副尺，主尺上裝有位移導條(U)，副尺上裝有軸(X)，該軸(X)上裝有光源(T)，以軸X為圓心環繞著一條環行柵格帶(R)，上面有等寬、等距，且寬度和距離相等的光電材料的柵格，該柵格帶(R)的一側連接有一條環形導體(Q)，該柵格帶(R)上的每一塊柵格的另一側連接有導電塊(S)，所述柵格通過環形導體(Q)和導電塊(S)串接在電源回路中；所述光源(T)發射的光的寬度大于等于環行柵格帶(R)上的柵格的寬度；還含有一個齒輪放大機構，該齒輪放大機構含有一個與位移導條(U)嚙合的軸(V)，該軸(V)上固定有與所述軸(X)嚙合的齒輪盤(W)；當主尺和副尺間產生相對位移時，位移導條(U)移動，并通過齒輪放大機構帶動所述軸(X)旋轉，使得軸(X)上的光源(T)旋轉，該光源(T)發射出的光掃描柵格帶(R)上的柵格，使得被掃描到的柵格導電，該柵格所在的回路導通，在該回路上輸出的電信號經過處理得到待測物體的長度。
實驗證明，該開關式數字角位移傳感器能夠準確檢測出角位移量，采用該方案的各種角位移檢測裝置能夠精確地測出角位移量，達到了預期的目的。
圖1是專利申請200510011955.8中的觸片式的開關式數字位移傳感器示意圖；圖2是專利申請200510011955.8中的激光式的開關式數字位移傳感器示意圖；圖3是專利申請200510012185.9中的位移放大式數字位移傳感器示意圖；圖4是電子經緯儀的俯視示意圖；圖5是電子經緯儀的剖視示意圖；圖6是數字式電測方位角傳感器剖視示意圖；圖7是傾角傳感器模型結構剖視示意圖。
圖8是數字卡尺外觀示意圖；圖9是數字卡尺的俯視示意圖。
具體實施例方式開關式角位移傳感器與位移放大式數字位移傳感器的結構原理基本相同。位移放大式數字位移傳感器測量的是物體產生的線位移，所以它是通過齒輪傳動放大系統先將待側線位移放大為與待側線位移有對應關系的角位移，然后量測此角位移從而達到量測待側線位移的目的(角位移的量測一般都是通過量測角位移所對應的弧長的長度來間接測量的)。而在開關式角位移傳感器中，沒有位移導條，即不用將線位移轉換為角位移測量，而是直接(或通過放大系統進行放大后)測量，其角位移量測的方法與開關式線位移傳感器是一樣的。
本發明同時提出了開關式角位移傳感器作為幾種角度檢測儀器的應用。
一、開關數字式電子經緯儀角度測量儀經緯儀有游標經緯儀、光學經緯儀和電子經緯儀三類。游標經緯儀一般為金屬度盤、游標讀數、錐形軸系，目前已很少使用。而光學經緯儀具有讀數精度較高、體積小、重量輕等優點，使用很廣泛。電子經緯儀精度高、數字化、功能多、使用十分方便。電子經緯儀有逐漸取代光學經緯儀的趨勢。電子經緯儀采用新型的度盤刻劃形式，一般有三種度盤形式，即格區式度盤，光柵度盤和編碼度盤。現有的電子經緯儀的測角方式主要為光電增量式測角，其原理是光柵式位移測量原理，采用高精度光柵度盤。現有的電子經緯儀性能優異，但由于其技術比較復雜，生產上工藝要求很高，成本昂貴，所以目前尚未廣泛普及。
本發明結合圖3所示的位移放大式數字位移傳感器，通過在經緯儀豎軸上刻劃精密齒紋，并通過齒輪傳動放大系統放大豎軸的角位移量，量測此放大的角位移量，經過換算即可得到豎軸的角位移量。量測這個角位移量是通過以下結構實現的在產生該放大的角位移量的旋轉軸心上安裝發光裝置(如激光發射器)向外徑向發射一束寬度一定的光束，同時圍繞此軸心放置一個環形的按一定規律分布的光電材料柵格條帶。當豎軸轉動時，通過齒輪系統的轉換，該光束將在此光電材料環形柵格條帶上掃描。
如圖4和圖5所示，S為經緯儀的豎軸；U為固定在S軸上的一個直徑較大的齒輪盤，其上刻有精密的齒紋；X為固定在S軸上的一個套筒式結構，X可以與S相對轉動，但是其空間位置被S軸固定，X上也刻有精密的齒紋，而且X上裝有激光發射器(或其他光源)，向徑向發射光束寬度很小的光束；Z軸為經緯儀中的與S軸平行的軸，其空間位置保持固定，不隨軸S的轉動而轉動；V和Y均為刻有精密齒紋的齒輪盤，其中V與U嚙合，Y與X嚙合；R為環形的光電材料柵格帶，半徑較大，以軸S為中心放置，柵格的排列方式與圖1中的R柵格帶一致。
當進行角度測量時，經緯儀的豎軸S轉動，其上固定的U將隨S一起轉動，從而帶動V轉動，繼而使軸Z轉動，帶動Y轉動，Y又帶動X繞軸S轉動。所以軸S的轉動角位移量通過此齒輪系統得到了放大。改變U、V、X、Y的半徑，從而可以調整此角位移量的放大倍數，如100倍。由于X上有光源發射徑向的光束，所以當S轉動時，X轉動的同時，其上發射的光束也將轉動，從而光束將在環形光電材料柵格上掃描，工作原理與位移放大式數字位移傳感器相同。采用單片機處理環形柵格上傳輸的信號即可識別光束在環形光電材料柵格上的位移，通過適當換算，就得到了相應的角度，從而實現對角度的量測。
二、開關數字式電測方位角測量儀目前常用來探測地磁信號的磁傳感器技術主要有磁通門、磁阻傳感器、磁感應傳感器及磁針等。磁通門體積大，結構復雜，成本高，且難以小型化，可靠性不夠高。磁阻傳感器，體積小，靈敏度較高、抗電磁噪聲等干擾的能力強、可靠性較高，但其技術難度和成本仍較高。磁針式的電子羅盤結構和原理十分簡單，維修使用方便，其精度也可滿足很多工程的要求，成本比較低，因此應用較為普遍。如上海力擎地質儀器有限公司生產的KXP-1G型輕便測斜儀，就是利用磁針定向，然后采用電位器原理測量磁針轉過的角位移，從而確定鉆孔的方位。這種設備基本能滿足工程的需要，占有一定的市場份額，但在量測精度和使用的方便性上還不夠理想。
本發明提供了一種基于磁針定向的開關式數字式電測方位角傳感器。一個對地磁信號敏感的磁針，在水平面內可以繞一軸心自由轉動從而保證其指向與地磁場的磁場方向相同。在此磁針上安裝光源，發射光束寬度一定的徑向光束，使光束指向與磁針指向相同。同時以磁針旋轉軸心為中心放置一個環形的按一定規律分布的光電材料柵格條帶。則當磁針轉動時，光束將在此光電材料環形柵格條帶上掃描。采用背景技術所述的原理即可進行方位的測量。這種方位測量，原理簡單，結構可靠，成本低，精度也較高。
如圖6所示，M為對地磁磁場敏感的磁針，可繞X軸自由旋轉，且M與X軸之間的摩擦力矩很小，因此M磁針可以靈敏地指示地磁場方向；在M磁針上安裝一光源，光源可發射光束寬度一定的徑向光束T，光束方向一般與磁針指向相同(或者是光束方向與磁針指向有確定的關系)；R是以X軸軸心為中心放置的直徑一定的環形光電材料柵格帶R，柵格帶的柵格分布與背景技術一致。當磁針轉動時，帶動光源在柵格帶R上掃描，其工作原理與背景技術所述一致。
三、開關數字式固體擺傾角測量儀傾角傳感器廣泛應用于地質鉆探、采礦、工業控制、汽車、航空、建筑等各種工程的傾角測量。現有技術中，重力擺式傾角傳感器是利用物體受重力作用而提供的鉛垂線而進行傾角測量的，包括固體擺式、液體擺式、氣體擺式三種，其原理和結構簡單，使用方便，精度較高，成本較低，應用比較廣泛。但目前的重力擺式傾角傳感器的信號基本都是模擬式的，因此在抗電磁干擾、模擬信號的傳輸等方面仍有一定的局限性。
本發明結合背景技術中提到的位移放大式數字位移傳感器，提供了一種開關數字式的固體擺傾角傳感器。采用固體擺作為靈敏元件，當物體傾斜時，固體擺保持指向重力方向，因此將繞一固定軸旋轉。量測固體擺的旋轉角度，即可得到物體的傾斜角。在此固體擺上安裝光源，發射光束寬度一定的徑向光束，使光束指向與重力擺的指向相同。同時以重力擺的旋轉軸心為中心放置一個環形的按一定規律分布的光電材料柵格條帶。則當固體擺繞軸轉動時，光束將在此光電材料環形柵格條帶上掃描。
如圖7(a)所示，G為固體擺，可繞軸X自由轉動。在G上安裝一光源，光源可發射光束寬度一定的徑向光束T，光束方向一般與固體擺指向相同(或者是光束方向與固體擺指向有確定的關系)；R是以X軸軸心為中心放置的半徑一定的環形光電材料柵格帶。柵格帶的柵格分布與背景技術一致。當固體擺轉動時，帶動光源在柵格帶R上掃描，其工作原理與背景技術所述一致。
也可以將固體擺的角位移放大后再測量， 如圖7(b)所示，G為重力擺，擺的上面刻有精密的齒紋，X為固定重力擺的軸，重力擺G可以繞X軸轉動；一個直徑較大的齒輪盤V上固定有一個較小的齒輪U(U和V是一體的)，其中U與重力擺G上的齒輪嚙合，而V與另一個齒輪W嚙合，Y為固定U和V的軸，U和V可以繞Y軸旋轉；齒輪W被固定在Z軸上，W可以繞Z軸旋轉。W上裝有激光發射器(或其他光源)，向徑向發射光束寬度很小的光束T；R為環形的光電材料柵格帶，半徑較大，以軸Z為中心放置，柵格的排列方式與圖1中的R柵格帶一致。
當進行角度測量時，重力擺G轉動，其上面的齒輪帶動U轉動，繼而使與U連在一起的V轉動，又帶動W轉動。所以重力擺的轉動角位移量通過此齒輪系統得到了放大。改變U、V、W的半徑，可以調整重力擺G角位移量的放大倍數，如100倍。由于W上有光源發射徑向的光束，所以當重力擺G轉動時，W上發射的光束T將發生更多的轉動，從而光束在環形光電材料柵格上掃描，工作原理與位移放大式數字位移傳感器相同。采用單片機處理環形柵格上傳輸的信號即可識別光束在環形光電材料柵格上的位移，通過適當換算，就得到了相應的角度，從而實現對重力擺的傾角的量測。
四、開關式數字卡尺本發明還以位移放大式開關式數字位移傳感器為基礎，提出了一種開關式數字卡尺。卡尺由主尺和副尺組成，副尺可以在主尺上上滑動，主尺爪與副尺爪之間的距離即為量測的位移。卡尺按照其讀數方式主要可分為游標卡尺、帶表卡尺和數字式卡尺(電子卡尺)三種。游標卡尺是采用游標原理細分讀數的尺形手攜式通用長度測量工具，即利用主尺上的刻線間距(簡稱線距)和游標尺上的線距之差來讀出小數部分。測量時，量值的整數部分從主尺上讀出，小數部分從游標尺上讀出。常用的有0.1毫米、0.05毫米和0.02毫米3種最小讀數值。帶表卡尺是以精密齒條、齒輪的齒距作為已知長度，以帶有相應分度的指示表作為放大、細分和指示部分的手攜式長度測量工具。帶表卡尺能解決游標卡尺的讀數誤差問題。常見的最小讀數值有0.05毫米和0.02毫米兩種。已有的數字式卡尺一般是采用容柵式、電渦流式或光柵式等測量系統，以數字顯示量值的尺形手攜式長度測量工具，又稱數顯卡尺，常用的分辨率為0.01毫米，其讀數直觀清晰，功能較多，測量效率較高。游標卡尺、帶表卡尺這類非數字式的卡尺由于讀數相對比較繁瑣，功能單一，使用遠不及數字式卡尺方便，所以正逐漸被數字式卡尺取代。而現有的數字式卡尺中，技術比較成熟的主要是容柵式、電渦流式及光柵式等幾種。但是，這幾種卡尺結構比較復雜，而且普遍存在著易受測量環境條件(如濕度、粉塵或電磁干擾等)影響的問題。
本發明所提出的數字卡尺是位移放大式數字位移傳感器示意圖在數字卡尺上的應用，通過在卡尺的主尺和副尺上分別安裝齒條和齒輪傳動放大系統，從而將主尺與副尺之間的相對線位移量轉換放大為角位移量，量測該角位移量，經過換算即可得到線位移量，繼而實現卡尺的功能。如圖8所示，圖中F部分為卡尺的數字量測結構(副尺)，U為卡尺的主尺，其上刻有齒紋。本發明的主尺上的齒條與副尺上的齒輪傳動放大系統類似于帶表卡尺或百分表、千分計等的相應結構，如圖9所示，本發明也采用含有齒條與齒輪傳動的位移放大系統。圖9中所示U為卡尺的主尺，其一側刻有精密齒紋；圖中所示其余結構均與卡尺的副尺連接，整個副尺可以在主尺上滑動；V為齒輪軸，上面刻有精密齒紋，并且U的齒紋與V的齒紋嚙合；齒輪軸V上固定一個直徑較大的刻有精密齒紋的齒輪盤W。齒輪軸X上也刻有精密齒紋，并與齒輪盤W的齒紋嚙合。在齒輪軸X上安裝一個發光裝置如激光發射器，發射光束寬度一定的激光束T。以齒輪軸X的軸心為圓心放置一個半徑一定的環形的光電材料柵格條帶R，柵格帶R上的柵格排列與上述背景技術中的一致。由圖9可知，當副尺在主尺U上滑動時，將帶動齒輪軸V(及齒輪盤W)轉動，繼而帶動齒輪軸X轉動，則激光光束T將在環形的光電材料柵格R上掃描。工作原理與位移放大式數字位移傳感器相同。采用單片機處理所得信號，即可得到待側位移并通過數字顯示設備(如數碼管，LED等)顯示測量結果，而且可以進行公制與英制的轉換，以及在任意位置置零等。采用單片機還可以方便地實現數據輸出、與打印機連接或者與計算機通信(如串口)等擴展功能。
權利要求
1.開關式數字角位移傳感器，其特征在于，含有與產生角位移的物體同軸旋轉的光源(T)，以光源所在軸為圓心環繞著一條環形柵格帶(R)，所述柵格帶(R)上有等寬、等距，且寬度和距離相等的光電材料的柵格，該柵格帶(R)的一側連接有一條環形導體(Q)，該柵格帶(R)上的每一塊柵格的另一側連接有導電塊(S)，所述柵格通過環形導體(Q)和導電塊(S)串接在電源回路中；所述光源(T)發射的光的寬度大于環行柵格帶(R)上的柵格的寬度；當物體旋轉時，帶動光源(T)旋轉，該光源(T)發射出的光掃描柵格帶(R)上的柵格，使得被掃描到的柵格導電，該柵格所在的回路導通，在該回路上輸出的電信號經過處理得到物體的角位移量。
2.如權利要求1所述的開關式數字角位移傳感器作為電子經緯儀角度測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是經緯儀的豎軸(S)，在豎軸(S)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述豎軸(S)為圓心，當豎軸(S)旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
3.如權利要求1所述的開關式數字角位移傳感器作為電子經緯儀角度測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是經緯儀的豎軸(S)，所述柵格帶(R)以所述豎軸(S)為圓心分布，在所述豎軸(S)上套有一個可繞該豎軸(S)旋轉的套筒式齒輪(X)，在套筒式齒輪(X)上裝有光源(T)，所述豎軸(S)通過一套齒輪放大機構帶動套筒式齒輪(X)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
4.如權利要求3所述的開關式數字角位移傳感器作為電子經緯儀角度測量儀的應用，其特征在于，所述齒輪放大機構含有固定在所述豎軸(S)上的齒輪盤U，該齒輪盤(U)與另一根軸(Z)嚙合，該軸(Z)上固定有一個與所述豎軸(S)嚙合的齒輪盤(Y)，所述豎軸(S)轉動，依次帶動齒輪盤(U)、軸(Z)、齒輪盤(Y)和套筒式齒輪(X)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
5.如權利要求1所述的開關式數字角位移傳感器作為方位角測量儀的應用，其特征在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的地磁磁針(M)，在地磁磁針(M)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述軸(X)為圓心分布，當地磁磁針在地磁場作用下旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
6.如權利要求1所述的開關式數字角位移傳感器作為傾角測量儀的應用，其特正在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的固體擺(G)，在固體擺(G)上安裝光源(T)，所述柵格帶(R)以所述軸(X)為圓心分布，當固體擺(G)在重力作用下旋轉時，帶動光源(T)掃描柵格帶(R)。
7.如權利要求1所述的開關式數字角位移傳感器作為傾角測量儀的應用，其特正在于，產生角位移的是以軸(X)為軸心旋轉的固體擺(G)，所述柵格帶(R)以另一根軸(W)為圓心分布，在所述軸(W)上裝有光源(T)，所述固體擺(G)通過一套齒輪放大機構帶動軸(W)旋轉，使得光源(T)旋轉的角位移放大。
8.如權利要求7所述的開關式數字角位移傳感器作為傾角測量儀的應用，其特正在于，所述齒輪放大機構含有一個與固體擺(G)嚙合的軸(Y)，和一個固定在軸(Y)上且與所述軸(W)嚙合的齒輪盤(V)，所述固體擺(G)旋轉依次帶動軸(Y)、齒輪盤(V)和軸(W)旋轉。
9.一種采用開關式數字位移傳感技術的數字卡尺，其特征在于，含有可相對滑動的主尺和副尺，主尺上裝有位移導條(U)，副尺上裝有軸(X)，該軸(X)上裝有光源(T)，以軸X為圓心環繞著一條環行柵格帶(R)，上面有等寬、等距，且寬度和距離相等的光電材料的柵格，該柵格帶(R)的一側連接有一條環形導體(Q)，該柵格帶(R)上的每一塊柵格的另一側連接有導電塊(S)，所述柵格通過環形導體(Q)和導電塊(S)串接在電源回路中；所述光源(T)發射的光的寬度大于等于環行柵格帶(R)上的柵格的寬度；還含有一個齒輪放大機構，該齒輪放大機構含有一個與位移導條(U)嚙合的軸(V)，該軸(V)上固定有與所述軸(X)嚙合的齒輪盤(W)；當主尺和副尺間產生相對位移時，位移導條(U)移動，并通過齒輪放大機構帶動所述軸(X)旋轉，使得軸(X)上的光源(T)旋轉，該光源(T)發射出的光掃描柵格帶(R)上的柵格，使得被掃描到的柵格導電，該柵格所在的回路導通，在該回路上輸出的電信號經過處理得到待測物體的長度。
全文摘要
開關式數字角位移傳感器及其應用屬于量測物體位移或應變的傳感裝置設計技術領域。其特征是，含有與產生角位移的物體同軸旋轉的光源，以光源所在軸為圓心環繞著一條環形柵格帶，柵格帶上有等寬、等距，且寬度和距離相等的光電材料的柵格，該柵格帶的一側連接有一條環形導體，該柵格帶上的每一塊柵格的另一側連接有導電塊，柵格通過環形導體和導塊串接在電源回路中；光源發射的光的寬度大于環行柵格帶上的柵格的寬度；當物體旋轉時，帶動光源旋轉，該光源發射出的光掃描柵格帶上的柵格，使得被掃描到的柵格導電，該柵格所在的回路導通，在該回路上輸出的電信號經過處理得到物體的角位移量。本發明能夠準確檢測出角位移量，采用該方案的各種角位移檢測裝置能夠精確地測出角位移量。
文檔編號G01B11/02GK1746630SQ20051008660
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月14日 優先權日2005年10月14日
發明者陳輪, 李云鶴 申請人:清華大學