專利名稱：拉線式光電二維位移傳感器的制作方法
技術領域：
本發明及一種測量物體平面移動位置的位移傳感器，具體的說是一種拉線式光電二維位移傳感器。
背景技術：
目前，現有機械式、電阻式、電容式、電感式和光電式等位移傳感器只能測量物體一維方向的位移。如果要測量物體平面移動的二維方向的位移，須用兩只一維位移傳感器相互垂直等布置才能測量。不但傳感器的安裝要求高和占用空間大，而且在高精度及大量程位移測量時非常不便。
發明內容
針對現有位移傳感器的不足，本發明提出把改進的測量一維位移的拉線式光電線位移傳感器組裝在光電角位移傳感器裝置上，成為一種拉線式光電二維位移傳感器。它采用光電斷續器為傳感信號源；COMS數字集成元件為識別、齒輪間隙誤差修正、控制、可逆計數、數碼顯示及數字信號輸出等的電路；疏絲器按序平順地把拉線鋼絲多圈纏繞在拉線盤上而不重疊；光電線位移微動開關和光電角位移微動開關提供驅動各自步進微電機的信號；步進微電機消除齒輪組傳動的拖滯；制動器控制線位移傳感裝置的轉動；發光二極管顯示實時位移的狀態，數碼管顯示傳感器的編號。
本發明的技術方案一種拉線式光電二維位移傳感器，由第一部分光電線位移傳感器裝置、第二部分光電角位移傳感裝置、以及底盤架、機殼和底座組成。第一部分的光電線位移傳感裝置包括拉線鋼絲、拉線嘴、疏絲器、拉線盤、盤簧、棘輪、齒輪組、切換輪、槽型光電斷續器、光電線位移微動開關、步進微電機、機架和制動器，第二部分的光電角位移傳感裝置包括齒輪組、切換輪、槽型光電斷續器、光電角位移微動開關、步進微電機和機架，以及位移狀態顯示器、傳感器編號顯示器、底盤架、機殼和底座。其特征在于拉線從第一部分的光電線位移傳感裝置機架的拉線嘴嘴孔中拉出或回縮；第一部分光電線位移所述的齒輪組的五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合放置在機架內，由m個夾角為β的不透光黑色葉片構成的切換輪為最小從動齒輪，切換輪與步進微電機共軸，步進微電機固定于機架；兩個槽型光電斷續器的發射極與接受極分別置于切換輪面的兩側，發射極與接受極之間的光線垂直于切換輪面，兩個槽型光電斷續器相互夾角為0.75β；主軸兩端活動置于機架相對的壁上，其一端穿過底盤架中間架板與第一部分光電線位移傳感裝置機架的中軸套相聯；機架固定于底盤架。
所述拉線式光電二維位移傳感器第二部分的光電角位移傳感裝置，其特征在于所述的光電角位移微動開關包括一個發光二極管和兩個并行放置的光電管接受極。發光二極管位于兩個光電管接受極的中心線上，拉線鋼絲靠近發光二極管的遮光板橫向擺動切換光線。
所述拉線式光電二維位移傳感器，其特征在于所述的底盤架支承第一部分光電線位移傳感裝置轉動，固定第二部分光電角位移傳感裝置及機殼。底盤架置于底座，能圍繞底座中心轉動270°。
所述拉線式光電二維位移傳感器，其特征在于所述的步進微電機由脈沖電源驅動，光電線位移微動開關和光電角位移微動開關控制，與切換輪共軸，并分別固定于第一部分光電線位移傳感裝置和第二部分光電角位移傳感裝置的機架。
本發明的原理拉線式光電二維位移傳感器是由第一部分光電線位移傳感裝置和第二部分光電角位移傳感裝置組裝而成，即運用極坐標法來測量物體在平面上的位移。具體的是由直徑為0.3毫米的不銹鋼絲為拉線，拉線的一端掛在被測物體上，另一端經拉線嘴盤在拉線盤上。當被測物體產生線位移拉動拉線鋼絲時，拉線盤將作相應正反方向旋轉。拉線盤轉動一周，由齒輪組變速將切換輪轉動萬轉以上，這樣測出的線位移量被放大，提高了測量的精度。為了讓拉線鋼絲繃緊使位移傳動不失真，與拉線盤同軸設置有一定剛度的盤簧。為了防止拉線拉動過猛損壞齒輪組，采用棘輪自動打滑裝置來保護。為了避免多圈纏繞在拉線盤上鋼絲的重疊引起測量誤差，采用疏絲器按序平順鋼絲的纏繞。為了消除齒輪組傳動的拖滯影響測量分辨率，采用光電線位移微動開關控制步進微電機，驅動切換輪作限時定向轉動。切換輪葉片為黑色不透明，用以切換兩個槽型光電斷續器的光線。當切換輪葉片轉到光電斷續器槽內，遮住了光線，接受極的光敏三極管則處于截止傳感裝置和第二部分光電角位移傳感裝置的主軸共軸線，第一部分的整個光電線位移傳感裝置能圍繞該主軸線轉動；第二部分的光電角位移傳感裝置和機殼固定于底盤架；底盤架置于底座，能圍繞底座中心線轉動，該中心線與主軸線相垂直。機殼上安裝有顯示位移狀態的發光二極管和顯示傳感器編號的數碼管。
所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的光電線位移傳感裝置的機架上置有拉線嘴，拉線鋼絲經拉線嘴內的光電角位移微動開關、光電線位移微動開關和疏絲器引至拉線盤，纏繞有拉線鋼絲的拉線盤、盤簧及主動齒輪共軸放置在機架內，主軸兩端活動置于機架相對的壁上；齒輪組由五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合，與主動齒輪相嚙合的棘輪為齒輪組的最大從動齒輪，由n個夾角為α的不透光黑色葉片構成的切換輪為最小從動齒輪，切換輪與步進微電機共軸，步進微電機固定于機架；兩個槽型光電斷續器的發射極和接受極分別置于切換輪的兩側，發射極與接收極之間的光線垂直于切換輪面，兩個槽型光電斷續器相互夾角為0.75α；機架的一端架壁由光電線位移傳感裝置主軸穿過并活動置于底盤架，另一端架壁上的中軸套與第二部分光電角位移傳感裝置的主軸相聯，整個光電線位移傳感裝置能圍繞主軸線轉動180°。
所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的線位移傳感裝置，其特征在于所述的拉線為直徑0.3毫米的不銹鋼絲；所述的疏絲器置于拉線嘴內，疏絲器的外側齒輪與拉線盤的齒嚙合，拉線盤每轉動一周，疏絲器轉動一齒，疏絲器的疏絲紋桿將拉線鋼絲平移一個鋼絲直徑的位置，其內側齒輪靠在拉線盤邊緣滑行，阻止疏絲器隨意轉動；所述的拉線盤直徑約50毫米，拉線盤對應的機架上置有拉線嘴。
所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的光電線位移微動開關包括杠桿擺和一個槽型光電斷續器，杠桿擺一端由拉線鋼絲摩阻滑行傳動，另一端不透光的葉片在槽型光電斷續器槽口內切換光線。
所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的制動器的制動圓鼓置于機架壁，制動圓鼓中心軸孔兼作聯接第二部分光電角位移傳感裝置主軸的中軸套，制動連桿置于底盤架，制動連桿上的一對制動閘位于制動圓鼓的兩側，手動操作桿制動。
所述拉線式光電二維位移傳感器第二部分的光電角位移傳感裝置，其特征在于狀態；當切換輪葉片轉出槽外，則光線被光敏三極管接收并使其導通。將兩個槽型光電斷續器安裝在切換輪的相應位置，這樣就可把正反向轉動的機械信號轉換成可逆的數字信號，該數字信號經位移處理器處理后，顯示出線位移的數據和方向；當被測物體產生角位移時，拉線鋼絲牽著第一部分的光電線位移傳感裝置轉動，通過其機架上中軸套的傳遞，將第二部分光電角位移傳感裝置的主軸作相應轉動，經齒輪組變速和切換輪切換兩個槽型光電斷續器光線，放大了被測的角位移量，提高了角位移的測量精度。為了消除齒輪組傳動拖滯及齒輪組間隙誤差，提高測量角位移的分辨率，在拉線嘴內的前端裝有光電角位移微動開關，橫向擺動的拉線鋼絲遮住了兩個光電管接受極其中一個的光線，相應的輸出步進微電機轉動及轉動方向的信號，步進微電機帶著切換輪作限時定向轉動，轉動至拉線鋼絲位于光電角位移微動開關的兩個光電管接受極中間位置時自動停止，即時測出被測物體的角位移量。關于第二部分光電角位移傳動裝置的齒輪組、切換輪和光電斷續器的工作原理同第一部分的光電線位移傳感裝置。
本發明的效果本發明的拉線式光電二維位移傳感器的精度和分辨率高、量程大、線性度和穩定性好、環境要求低、體積小、重量輕和易安裝，能測量物體平面移動的二維方向的位移。適用于土木建筑、機械加工、設備安裝、國防科技和科學實驗等領域，與計算機聯接，能大大提高自動控制的能力。
圖1本發明的內部局部結構剖視示意圖。
圖2本發明的俯視結構示意圖。
圖3本發明內部的拉線嘴側視結構示意圖。
圖4本發明內部的光電線位移傳感裝置側視結構示意圖。
圖5本發明內部的光電線位移傳感裝置制動部分側視結構示意圖。
圖6本發明內部的光電角位移傳感裝置側視結構示意圖。
圖7本發明的疏絲器的側視圖。
圖8本發明的疏絲器的俯視圖。
圖9本發明的疏絲器的正視圖。
具體實施例方式
參見圖1-9。一種拉線式光電二維位移傳感器，包括第一部分光電線位移傳感裝置的拉線鋼絲1、拉線嘴2、疏絲器3、拉線盤4、盤簧5、齒輪組7、主動齒輪8、切換輪9、槽型光電斷續器10、步進微電機11、機架12、光電線位移微動開關13，第二部分光電角位移傳感裝置的齒輪組15、光電角位移微動開關19、主動齒輪21、切換輪22、槽型光電斷續器33、步進微電機23、機架24，以及底盤架25、機殼26和底座27。拉線鋼絲1從置在第一部分光電線位移傳感裝置機架12上的拉線嘴2嘴孔中拉出或縮回，拉線鋼絲1經拉線嘴2盤在拉線盤4上，拉線盤4帶動第一部分光電線位移傳感裝置主軸14上的主動齒輪8，主動齒輪8經齒輪組7變速帶動切換輪9切割槽型光電斷續器10的光線；第一部分光電線位移傳感裝置主軸14和第二部分光電角位移傳感裝置主軸20共軸線，第一部分光電線位移傳感裝置能圍繞該主軸線轉動180°；第二部分光電角位移傳感裝置機架24和機殼26固定于底盤架25，底盤架25置在底座27上，并能圍繞底座27中心轉動270°；拉線鋼絲1經拉線嘴2內的光電角位移微動開關19、光電線位移微動開關13和疏絲器3引至拉線盤4，纏繞有拉線鋼絲1的拉線盤4、盤簧5及主動齒輪8共軸放置在機架12內，第一部分光電線位移傳感裝置主軸14的兩端活動置于機架12相對的壁上；齒輪組7由五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合放置在機架12內，與主動齒輪8嚙合的棘輪6為齒輪組的最大從動齒輪，由n個夾角為α(α＝360°/n)的黑色不透光葉片構成的切換輪9為最小的從動齒輪，切換輪9與步進微電機11共軸，步進微電機11固定在機架12上；兩個槽型光電斷續器10相互夾角為0.75α，其發射極和接受極分別置于切換輪面9的兩側，與切換輪9葉片相切；機架12的一端架壁由主軸14穿過并活動置于底盤架25，另一端架壁上的中軸套35與第二部分光電角位移傳感裝置主軸20相聯接，機架12能圍繞該主軸線轉動；第二部分光電角位移傳感裝置的齒輪組15置于機架24內，機架24固定在底盤架25上；主軸20兩端活動置于機架24相對的壁上，其一端穿過底盤架25中間架板與第一部分光電線位移傳感裝置機架12的中軸套35聯接；第二部分光電角位移傳感裝置齒輪組15的五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合放置在機架24內，由m個夾角為β(β＝360°/m)的黑色不透光葉片構成的切換輪22為最小的從動齒輪，切換輪22與步進微電機23共軸，步進微電機23固定在機架24上；兩個槽型光電斷續器33的發射極和接受極分別至于切換輪22輪面的兩側，兩極之間光線垂直于切換輪22輪面，兩個槽型光電斷續器33相互夾角為0.75β。開機后，機殼上的數碼管31顯示傳感器的編號和發光二極管32顯示位移的狀態。
拉線鋼絲1的直徑為0.3毫米，拉線盤4的直徑約為50毫米，拉線盤4對應的第一部分光電線位移傳感裝置機架12上置有拉線嘴2；拉線鋼絲1從拉線嘴2嘴孔內經光電角位移微動開關19、光電線位移微動開關13及疏絲器3，再纏繞在拉線盤4上；疏絲器3的外側齒輪16與拉線盤4的齒17相嚙合，拉線盤4每轉動一周，帶動疏絲器3轉動一齒，即疏絲器3的疏絲紋桿18將拉線鋼絲1平移一個鋼絲直徑的位置，其內側齒輪36靠在拉線盤4邊緣滑行，阻止疏絲器3隨意轉動；光電線位移微動開關13由杠桿擺和一個槽型光電斷續器34組成，杠桿擺由拉線鋼絲1摩阻滑行傳動，另一端不透光的葉片在槽型光電斷續器34槽口內切換光線；光電角位移微動開關19的兩個光電管接受極并行放置，拉線鋼絲1位于中間橫向切換光線；第一部分光電線位移傳感裝置和第二部分角位移傳感裝置的步進微電機11和23均以脈沖電源驅動，與相應的切換輪9和22共軸，固定在各自機架12和24上；制動器的制動圓鼓30固定在第一部分光電線位移傳感裝置的機架12上，制動圓鼓30中心軸孔兼作聯接第二部分光電角位移傳感裝置主軸20的中軸套35，固定在底盤架25上的一對制動閘28置在制動圓鼓30的兩側，手動操作桿29制動。
拉線鋼絲1的作用是與被測物體上的掛環連接，為傳感器傳遞被測物體平面移動的位移量。拉線嘴2的作用是拉線鋼絲的進出口，并通過在內安置的光電角位移微動開關19、光電線位移微動開關13和疏絲器3，讓拉線鋼絲1纏繞至拉線盤4上。疏絲器3的作用是讓多圈纏繞在拉線盤4上的拉線鋼絲1按序平順分布而不重疊。拉線盤4的作用是盤繞拉線鋼絲1，轉動光電線位移傳感裝置主軸14，拉線盤4直徑是根據數據顯示與實際線位移量一致確定的。盤簧5的作用是為了位移傳動不失真，繃緊拉線鋼絲1。齒輪組7和15的作用是由主軸14和20傳動，經齒輪組7和15變速，將切換輪9和22轉動萬轉以上，放大位移量提高測量精度。棘輪6的作用是當拉線鋼絲1拉出過猛時自動打滑，保護齒輪組7不遭損壞。切換輪9和22的作用是切換槽型光電斷續器10和33的光線，將機械信號轉換為可逆的數字信號。步進微電機11和23的作用是消除齒輪組7和15傳動的拖滯和齒輪間隙誤差，提高測量分辨率。光線線位移微動開關13的作用是線位移敏感元件，由拉線鋼絲摩阻滑行傳動杠桿擺的不透光葉片在槽型光電斷續器34槽口內切換光線，為驅動步進微電機11輸出啟動和轉向的信號。光電角位移微動開關19的作用是角位移敏感元件，為驅動步進微電機23輸出啟動和轉向的信號。第一部分光電線位移傳感裝置機架12的作用是固定拉線嘴2和步進微電機11，其內部安裝齒輪組7、切換輪9及槽型光電斷續器10，一端機架壁由主軸14穿過并活動置于底盤架25，另一端由機架壁上的中軸套35聯接第二部分光電角位移傳感裝置的主軸20，能讓整個光電線位移傳感裝置圍繞主軸線轉動180°。制動器的作用是傳感器不使用或只測量線位移時，控制光電線位移傳感裝置的轉動。第二部分光電角位移傳感裝置機架24的作用是固定步進微電機23，其內部安裝齒輪組15，切換輪22及槽型光電斷續器33，將整個角位移傳感裝置固定于底盤架25。底盤架25的作用是支承第一部分光電線位移傳感裝置，固定第二部分光電角位移傳感裝置和機殼26，置于底座27上，能圍繞底座27的中心轉動270°。底座27的作用是支承底盤架25，為便于二維位移測量，用定位螺栓調節底盤架25平面轉動或制動，整個傳感器栓接固定在相對不位移的物體上。
拉線式光電二維位移傳感器的具體使用1、在被測物體上安裝或粘貼掛環。
2、用螺栓把傳感器的底座固定在相對不產生位移的物體上。
3、松開固定底盤架定位螺栓和光電線位移傳感器裝置制動器，輕輕轉動拉線嘴和底盤架朝向被測物體，確認被測物體的平面位移在測量量程的范圍內，然后擰緊底盤架定位螺栓。
4、手捏拉線鋼絲的掛鉤，勻速地從傳感器拉線嘴孔口中拉出鋼絲，掛在被測物體的掛環上。
5、把拉線式光電二維位移傳感器與位移處理器聯接，打開處理器電源開關，待處理器處于工作狀態，傳感器機殼上的數碼管顯示傳感器的編號，線和角位移傳感裝置的步進微電機開始工作，將傳感器自動調至最佳測量狀態。
6、進行被測物體平面移動的二維位移測量，同時顯示、貯存和輸出測量數據。
7、測量結束后，關閉處理器電源，拆下傳感器連線插座。
8、手捏拉線鋼絲的掛鉤，從被測物體的掛環上取下掛鉤，勻速地讓拉線鋼絲回縮至傳感器拉線嘴內。
9、把拉線嘴輕輕地轉至水平狀態，操作制動桿將線位移傳感裝置制動。10、松開固定螺栓，拆下傳感器。
拉線式光電二維位移傳感器地性能1、量程線位移0～2000毫米或-1000～1000毫米；角位移0～180°。
2、精度線位移±0.03毫米，角位移±0.5°。
3、分辨率線位移0.01毫米，角位移0.1°。
4、測量速度Vmax＝10毫米/秒。
5、輸出數字信號6、工作溫度-10℃～60℃。
7、連接方式鋼絲懸掛。
8、電源±12伏(開關電源)。
9、尺寸95×95×85毫米(長×寬×高)。
10、重量約200克。
權利要求
1.一種拉線式光電二維位移傳感器，由第一部分的光電線位移傳感裝置、第二部分的光電角位移傳感裝置、以及底盤架、機殼和底座組成，第一部分的光電線位移傳感裝置包括拉線鋼絲、拉線嘴、疏絲器、拉線盤、盤簧、棘輪、齒輪組、切換輪、槽型光電斷續器、光電線位移微動開關、步進微電機、機架和制動器，第二部分的光電角位移傳感裝置包括齒輪組、切換輪、槽型光電斷續器、光電角位移微動開關、步進微電機和機架，以及位移狀態顯示器、傳感器編號顯示器、底盤架、機殼和底座，其特征在于拉線從第一部分的光電線位移傳感裝置機架上的拉線嘴嘴孔中拉出或回縮；第一部分的光電線位移傳感裝置和第二部分的光電角位移傳感裝置的主軸共軸線，第一部分整個光電線位移傳感裝置能圍繞該主軸線轉動；第二部分的光電角位移傳感裝置和機殼固定于底盤架；底盤架置于底座上，能圍繞底座中心線轉動，該中心線與主軸線相垂直。
2.根據權利要求1所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的拉線經拉線嘴內的光電角位移微動開關、光電線位移微動開關和疏絲器引至拉線盤，纏繞有拉線的拉線盤、盤簧及主動齒輪共軸放置在機架內，主軸兩端活動置于機架相對的壁上；齒輪組由五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合，與主動齒輪相嚙合的棘輪為齒輪組的最大從動齒輪，由n個夾角為α的不透光黑色葉片構成的切換輪為最小從動齒輪，切換輪與步進微電機共軸，步進微電機固定于機架；兩個槽型光電斷續器的發射極和接受極分別置于切換輪的兩側，發射極與接收極之間的光線垂直于切換輪面，兩個槽型光電斷續器相互夾角為0.75α；機架一端架壁由主軸穿過活動置于底盤架，另一端架壁上的中軸套與第二部分光電角位移傳感裝置的主軸相聯。
3.根據權利要求1所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的疏絲器的外側齒輪與拉線盤的齒嚙合，拉線盤每轉動一周，疏絲器轉動一齒，疏絲器的疏絲紋桿將拉線鋼絲平移一個鋼絲直徑的位置，其內側齒輪靠在拉線盤邊緣滑行，阻止疏絲器隨意轉動。
4.根據權利要求1所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的制動器的制動圓鼓置于機架壁，制動圓鼓中心軸孔兼作聯接第二部分光電角位移傳感裝置主軸的中軸套，制動連桿置于底盤架，制動連桿上的一對制動閘位于制動圓鼓的兩側，手動操作桿制動。
5.根據權利要求1所述拉線式光電二維位移傳感器第二部分的光電角位移傳感裝置，其特征在于所述的齒輪組的五個從動齒輪分別由大至小相互嚙合放置在機架內，由m個夾角為β的不透光黑色葉片構成的切換輪為最小從動齒輪，切換輪與步進微電機共軸，步進微電機固定于機架；兩個槽型光電斷續器的發射極與接受極分別置于切換輪面的兩側，發射極與接受極之間的光線垂直于切換輪面，兩個槽型光電斷續器相互夾角為0.75β；主軸兩端活動置于機架相對的壁上，其一端穿過底盤架中間架板與第一部分光電線位移傳感裝置機架的中軸套相聯；機架固定于底盤架。
6.根據權利要求1所述的拉線式光電二維位移傳感器，其特征在于所述的步進微電機由脈沖電源驅動，光電線位移微動開關和光電角位移微動開關控制，與切換輪共軸，并分別固定于第一部分光電線位移傳感裝置和第二部分光電角位移傳感裝置的機架。
7.根據權利要求1所述拉線式光電二維位移傳感器第一部分的光電線位移傳感裝置，其特征在于所述的拉線為直徑0.3毫米的不銹鋼絲；所述的拉線盤直徑為約50毫米，拉線盤對應的第一部分光電線位移傳感裝置機架上置有拉線嘴。
全文摘要
本發明公開了一種測量物體平面移動位置的拉線式光電二維位移傳感器，它運用極坐標法，由光電線位移傳感裝置和光電角位移傳感裝置組裝而成，包括拉線、拉線嘴、疏絲器、拉線盤、盤簧、棘輪、齒輪組、切換輪、光電斷續器、光電線位移微動開關、光電角位移微動開關、步進微電機、制動器、底盤架、機殼和底座。采用光電斷續器為傳感信號源，具有精度高、量程大及數字信號輸出的特點，滿足了土木建筑、機械加工、設備安裝、自動控制、國防科技和科學實驗等領域應用的需求。
文檔編號G01B11/26GK101033943SQ20071002087
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月10日 優先權日2007年4月10日
發明者汪哲蓀, 徐麗華 申請人:合肥工業大學