專利名稱：光纖半絕對值編碼器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液位、物位的線性測量領域，具體說是一種在失電后自動恢復測量讀數(shù)，對易燃、易爆、有毒物品的液位、物位進行線性測量的光纖半絕對值編碼器。
背景技術：
石油化工的各種油品儲罐，壓凝式液體壓力容器，各種化工原料、試劑儲罐，各種易燃氣體容器；這些容器體積龐大有幾萬立方米，對其內部的液位測量難度較大，尤其是安全精確測量，目前用的測控光電編碼器雖然精度可以保證，但由于光電編碼器的特性還是有“引燃”的不安全因素存在，給測量帶來了極高的風險存在。即使人工到現(xiàn)場測量的方法也有著人的不安全因素和數(shù)據(jù)準確性的誤差較大。
發(fā)明內容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在失電后自動恢復測量讀數(shù)，對易燃、易爆、有毒物品的液位、物位進行線性測量的光纖半絕對值編碼器。本發(fā)明的技術方案是:包括殼體、光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊，其特征是:光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊通過光纖連接在一起；
所述光碼變送機構包括安裝在殼體內的增量型光碼機構和絕對值光碼機構，增量型光碼機構通過齒輪組與絕對值光碼機構連接在一起；
所述增量型光碼機構包括安裝在前軸承座上的前軸，在前軸承座與前軸之間安裝滾動軸承，增量型碼盤置于兩片夾板之間，夾板固定在前軸上；在前軸承座上方固定兩個光路器，兩個光路器置于增量型碼盤的左右兩側，在其中一個光路器與增量型碼盤之間固定光柵座，在光柵座上固定光柵盤；光纖把有源器件發(fā)出的連續(xù)光束，傳遞給左端的光路器，左端的光路器把光束截面積擴大后照射在增量型碼盤上。在增量型碼盤轉動過程中和光柵盤的光柵共同作用下，右端光路器就形成了有規(guī)律的有光照和無光照的物理特征，并通過光纖傳遞給有源器件的光敏元件。光敏元件有光照時產(chǎn)生高電位脈沖，無光照時產(chǎn)生低電位脈沖，在光碼數(shù)據(jù)處理模塊中把高、低電位的每一次變化都當做一個新的數(shù)據(jù)“ I”進行處理。根據(jù)增量型碼盤和光柵盤光柵組合的順序關系以遞增加I或遞減減I的方式進行計數(shù)。所述絕對值光碼機構包括安裝在后軸承座上的后軸，在后軸承座與后軸之間安裝滾動軸承，絕對值碼盤置于兩片夾板之間，夾板固定在后軸上；在后軸承座上方固定兩個絕對值光路器，兩個絕對值光路器置于絕對值碼盤的兩側；光纖把有源器件發(fā)出的連續(xù)光束，傳遞給左端絕對值光路器，左端絕對值光路器把光束截面積擴大后照射在絕對值碼盤上。在絕對值碼盤轉動過程中，在通光量不同的光柵作用下，右端絕對值光路器就形成了有規(guī)律的強、弱光照和無光照的物理特征，并通過光纖傳遞給有源器件的光敏元件。光敏元件在強、弱光照下產(chǎn)生不同的大、小電流(4一20Ma)，根據(jù)賦值要求在不同的電流下就有不同的數(shù)據(jù)，無光照時不讀數(shù)，實現(xiàn)了機械位置讀數(shù)的絕對值屬性。所述光碼數(shù)據(jù)處理模塊包括單片機，單片機安裝在PCB板上，PCB板與光纜連接，PCB板上還設置有紅外發(fā)射晶體管和紅外接收晶體管，紅外發(fā)射晶體管和紅外接收晶體管與單片機連接。本發(fā)明的有益效果是通過絕對值的編碼可以自動的校正增量型的光碼數(shù)據(jù)，解決了光纖增量型編碼器失電時同時失去坐標基準點問題。當失電后又來電時，運動到絕對值的某一機械位置時，絕對值數(shù)據(jù)自動更新增量型編碼器數(shù)據(jù)，恢復其原點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了絕對值性質的修復性數(shù)據(jù)，提高了整體測量機構的操作穩(wěn)定和方便性；這樣就實現(xiàn)了安全測量并且不需要人工到現(xiàn)場測量的目的。
圖1是本發(fā)明的剖面結構示意簡圖。圖2是本發(fā)明的光路器剖面結構示意簡圖。圖3是本發(fā)明的絕對值碼盤結構示意簡圖。圖4是本發(fā)明的光電轉換板原理圖。圖5是圖4的變送模塊光電轉換板信號放大濾波電路原理圖。圖6是圖4的方向判斷正向信號放大電路原理圖。圖7是圖4的方向判斷反向信號放大電路原理圖。圖8是圖4的修正信號放大電路原理圖。圖9是本發(fā)明的變送模塊主板圖。圖10是圖9的主板CUP及外圍部分電路放大圖。
具體實施例方式光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊通過光纖44連接在一起；
所述光碼變送機構包括安裝在殼體3內的增量型光碼機構和絕對值光碼機構，增量型光碼機構通過齒輪組31與絕對值光碼機構連接在一起；
所述增量型光碼機構包括安裝在前軸承座上的前軸1，夾板22固定在前軸上，增量型碼盤8置于兩片夾板之間；在前軸承座7上方固定兩個光路器，兩個光路器6置于增量型碼盤的兩側，在其中一個光路器與增量型碼盤之間固定光柵座10，在光柵座上固定光柵盤9 ;
所述絕對值光碼機構包括安裝在后軸承座38上的后軸39，絕對值碼盤42置于兩片夾板之間，夾板固定在后軸上；在后軸承座上方固定兩個光路器，兩個光路器置于絕對值碼盤的兩側；
所述光碼數(shù)據(jù)處理模塊包括單片機50，單片機安裝在PCB板51上，PCB板與光纜52連接，PCB板上還設置有紅外發(fā)射晶體管53和紅外接收晶體管54，紅外發(fā)射晶體管和紅外接收晶體管與單片機連接。所述光路器6由光路器殼體61和光碼傳輸系統(tǒng)62組成；所述光路器殼體呈筒狀，光碼傳輸系統(tǒng)安裝在光路器殼體內；所述光碼傳輸系統(tǒng)的結構是凸透鏡621連接在尾纖622的一端，尾纖的另一端與光纖連接。本發(fā)明在工作時，1、3號光纖把有源器件發(fā)出的連續(xù)光束，傳遞給圖1所示1、II號光路的左端光路器，左端光路器把光束截面積擴大后照射在增量型碼盤上。在增量型碼盤轉動過程中和光柵盤的光柵共同作用下，1、II號光路的右端光路器就形成了有規(guī)律的有光照和無光照的物理特征，并通過2、4號光纖傳遞給有源器件的光敏元件。光敏元件有光照時產(chǎn)生高電位脈沖，無光照時產(chǎn)生低電位脈沖，在光碼數(shù)據(jù)處理模塊中把高、低電位的每一次變化都當做一個新的數(shù)據(jù)“I”進行處理。根據(jù)增量型碼盤和光柵盤光柵組合的順序關系以遞增加I或遞減減I的方式進行計數(shù)。5號光纖把有源器件發(fā)出的連續(xù)光束，傳遞給圖1所示I號光路的左端光路器，左端光路器把光束截面積擴大后照射在絕對值碼盤上。在絕對值碼盤轉動過程中，在通光量不同的光柵作用下，III號光路的右端光路器就形成了有規(guī)律的強、弱光照和無光照的物理特征，并通過6號光纖傳遞有源器件的光敏元件。光敏元件在強、弱光照下產(chǎn)生不同的大、小電流(4一20Ma)，根據(jù)賦值要求在不同的電流下就有不同的數(shù)據(jù)，無光照時不讀數(shù)，實現(xiàn)了機械位置讀數(shù)的絕對值屬性。光纖保護罩12的作用是保護光纖不受其外界各種因素損傷。本發(fā)明在整體結構上進行了小型化設計，在實際中最大直徑在80 mm左右，比初步的光碼增量型變送器要小50%左右。增量型碼盤用不銹鋼板蝕刻精密加工，使每轉可以有1200-1500的讀數(shù)精度，已經(jīng)接近了光電編碼器的水平，增量型碼盤與絕對值編碼的數(shù)據(jù)關系用齒輪組的傳動比來確定，在設計不同測量范圍時，齒輪組的傳動比也就不一樣。在增量型編碼 器中采用了光電編碼器的光柵盤結構，使其光碼讀數(shù)清晰度大幅提高，由此將整個編碼器分辨率提高了一倍多。采用4一20mA式絕對值碼盤，碼盤的設計可根據(jù)絕對值修正點的數(shù)量來設計碼盤光柵孔NI Ni的數(shù)量NI Ni光柵孔的寬度是不一樣的，最小通光孔感應讀數(shù)電流為4mA，最大的通光孔感應電流為20mA，各個光柵孔隨對應的絕對值數(shù)據(jù)是人工輸入的，使該碼盤的結構非常簡單，便于加工制造，成本低廉。光路器中凸透鏡與尾纖的結合面為無塵要求，根據(jù)這一要求，密封圈為一橡膠彈性材料，而橡膠中的一些有機成分不能產(chǎn)生揮發(fā)現(xiàn)象，揮發(fā)后會飄移到尾纖與凸透鏡的結合面處，而影響光束的傳遞。內套I與光路器體、內套I與內套II采用旋壓過盈結構，確保凸透鏡的位置精度，彈簧是保證尾纖與凸透鏡有一個合理的接觸壓力，緊固螺塞為彈簧提供預緊力。光纖負責光信號的傳遞。光路器在使用時每組為兩個，一個負責發(fā)送光束，一個為接收光碼。光碼數(shù)據(jù)處理電子模塊它主要功能是完成光束發(fā)出和返回光碼的電脈沖數(shù)據(jù)的轉換和運算及處理，并將數(shù)據(jù)信號輸送給上位機。光纜為6芯光纜，1、3、5號光纖為向光碼變送機構發(fā)送光束光纖,2、4、6號光纖為光碼回傳光纖，發(fā)送的光束由紅外發(fā)射管發(fā)出，光碼接收由紅外接收管完成。單片機負責光碼數(shù)據(jù)轉換和處理。在數(shù)據(jù)處理的過程中，本發(fā)明此處的關鍵點就是4一20mA信號與絕對值碼盤對應的數(shù)據(jù)是依據(jù)對編碼器絕對值部分全量程精確測量后，根據(jù)絕對值碼盤每個不同的4一20mA信號值。在單片機中都有人工賦值的絕對值數(shù)據(jù)，當增量型編碼器在工作狀態(tài)下遇到失電失去原基準點，當電力恢復后編碼器運行到某一絕對值數(shù)據(jù)點時，單片機自動將絕對值數(shù)據(jù)賦值給增量型編碼器累加器恢復其基準點數(shù)據(jù)。參見圖Γ10，光碼數(shù)據(jù)處理電子模塊電氣原理圖說明如下。光電轉換板作用:光電轉換板的功能是，將有源器件發(fā)出的紅外光，經(jīng)過光碼變送器后，形成的光信號轉成電信號。參見圖4，光電轉換板的分解圖說明:
參見圖5 8，變送模塊光電轉換板信號放大濾波部分說明:方向判斷正向信號放大電路由U1，U2運算放大器。R4 R7，及Cl為放大電路的外圍組件。D4為有源器件同等于紅外接收管。光信號經(jīng)過D4轉成電信號，并通過U1，U2放大，輸出信號VOl。方向判斷反向信號放大電路由U3，U4運算放大器。R8 R11，及C2為放大電路的外圍組D5為有源器件同等于紅外接收管。光信號經(jīng)過D5轉成電信號，并通過U3，U4放大，輸出信號V02。修正信號放大電路原理由U5，U6運算放大器。R12 R15，及C3為放大電路的外圍組件。D6為有源器件同等于紅外接收管。光信號經(jīng)過D6轉成電信號，并通過U5，U6放大，輸出信號V03。參見圖9，變送模塊主板圖說明:
主板的作用:主板接收光電轉換傳回的數(shù)據(jù)，進行處理。同時擁有RS485和Γ20πιΑ兩種信號輸出。參見圖10，主板CUP及外圍部分電路說明:
主板CPU部分=CUP部分由U5 MSP430單片機和，Yl, Y2晶振，C4 C7，C13諧振電容和濾波電容組成。變送模塊數(shù)據(jù)處理原理:變送模塊上電后，由光電轉化板的有源器件Dl，D2, D3，產(chǎn)生三組紅外光，通過光纖傳送至光碼變送器。經(jīng)過光碼變送器上的碼盤后產(chǎn)生3組光碼信號，前兩組光碼信號為計數(shù)信號，第三組信號為修正因掉電回零信號。前兩組信號通過光纖回到光電轉換板，由光電轉換板上的有源器件D4，D5接收，轉成電信號。在經(jīng)過光電轉換板上的U1，U2運算放大器。R4 R7，及Cl組成的放大電路。和U3，U4運算放大器。R8 R11，及C2組成的放大電路輸出2組放大后的電`信號VOl和V02。VOl和V02進入單片機，當V01，V02產(chǎn)生高電平變送模塊數(shù)據(jù)值加1，反之減I。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的累加及遞減。第3組電信號，經(jīng)過光碼變送器的第2個特制碼盤(碼盤上有6個小孔，平均分布在碼盤上，每個小孔的孔徑逐漸擴大，使紅外光源由弱到強分成6個節(jié)點)，第3組光源通過光纖回到光電轉換板，由光電轉換板上的有源器件D6接收，轉成電信號，因為每個節(jié)點的光源強度都對應一個電壓值，所以當?shù)?碼盤轉一圈就得到6個電壓值，電壓值經(jīng)過U5，U6運算放大器。R12 R15，及C3組成的放大電路輸出6個放大后的電壓值V03，V03進入單片機對應全量程中的6個量程值。變送模塊因意外掉電后，重新上電后時。因增量編碼器的特點，數(shù)據(jù)回零重新計數(shù)。當編碼器的第2碼盤轉到6個節(jié)點中的其中一個時，對應得到相應的電壓值，單片機得到電壓值后，得到對應輸出量程值。得到量程值后單片機對現(xiàn)有量程進行修正，得到真實的量程值。4一20mA絕對值碼盤，碼盤上的光柵孔NI — Ni是一個由小到大的變化過程，NI是III號光路器可以接收到的最小光信號，Ni是III號光路器可以接收到的最大光信號，最小光信號在電路中最后的數(shù)據(jù)信號為4mA，最大光信號在電路中最后的數(shù)據(jù)信號為20mA，4一20mA的數(shù)據(jù)值的范圍要根據(jù)所在檢測機構的具體技術指標來確定，Ni的i為光柵孔的數(shù)量，數(shù)量過多增加碼盤的制造難度，過少又不能達到及時修復增量型編碼器數(shù)據(jù)基點數(shù)據(jù)的目的，Ni的多少要根據(jù)具體的測量機構和被測物質的屬性要求而定，也可以根據(jù)不同行業(yè)要求而定。光柵孔NI — Ni的寬度尺寸是依據(jù)電路的感應能力而設定，要與電路的設計相匹配。在選定光敏兀件時考慮光柵孔最小到最大的通光量，最小光柵孔應具有產(chǎn)生4mA的電流，最大光柵孔應具有產(chǎn)生20mA的電流能力，我們?yōu)榇硕鴮ｉT設計制造一臺專用的試驗臺，在試驗上試驗得出絕對值碼盤NI — Ni的光柵孔的寬度值。在絕對值碼盤的工作運行過程中，由機構的原因每個光柵孔的一次讀數(shù)過程都是一次由小到大在到小的過程，每次的讀數(shù)是在當時光柵孔的最大通光量值時的讀數(shù)。這個過程由單片機的程序來控制。由于4一20mA絕對值碼盤的每個絕對值的讀數(shù)與準確機械位置數(shù)據(jù)存在著一定誤差，這個誤差是由信號的屬性決定的，在現(xiàn)代科技手段下還是無法把它控制在合理的范圍內，這就給實現(xiàn)機械式準確的絕對值數(shù)據(jù)帶來了較高的難度，為了實現(xiàn)這一目標我們采取了“取數(shù)賦值法”的數(shù)據(jù)處理方式達到絕對值數(shù)據(jù)的準確性要求?；镜倪壿嬯P系如下:
權利要求
1.一種光纖半絕對值編碼器，它包括殼體、光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊，其特征是:光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊通過光纖連接在一起，所述光纖一端接在光碼變送機構的光路器上，另一端接在光碼數(shù)據(jù)處理模塊的PCB板上； 所述光碼變送機構包括安裝在殼體內的增量型光碼機構和絕對值光碼機構，增量型光碼機構通過齒輪組與絕對值光碼機構連接在一起； 所述增量型光碼機構包括安裝在前軸承座上的前軸，前夾板固定在前軸上，增量型碼盤置于兩片前夾板之間；在前軸承座上方固定第一光路器和第二光路器，上述兩個光路器置于增量型碼盤的左右兩側，在第二光路器與增量型碼盤之間固定光柵座，在光柵座上固定光柵盤； 所述絕對值光碼機構包括安裝在后軸承座上的后軸，后夾板固定在后軸上，絕對值碼盤置于兩片后夾板之間；在后軸承座上方固定第三光路器和第四光路器，上述兩個光路器置于絕對值碼盤的左右兩側； 所述光碼數(shù)據(jù)處理模塊包括單片機，單片機安裝在PCB板上，在PCB板還設置有紅外發(fā)射晶體管和紅外接收晶體管，紅外發(fā)射晶體管和紅外接收晶體管與單片機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述光纖半絕對值編碼器，其特征是:在增量型光碼機構的前軸承座與前軸之間安裝滾動軸承。
3.根據(jù)權利要求1所述光纖半絕對值編碼器，其特征是:在絕對值光碼機構的后軸承座與后軸之間安裝滾動軸承。
4.根據(jù)權利要求1所述光纖半絕對值編碼器，其特征是:所述光路器由光路器殼體和光碼傳輸系統(tǒng)組成；所述光路器殼體呈筒狀，光碼傳輸系統(tǒng)安裝在光路器殼體內；所述光碼傳輸系統(tǒng)的結構是凸透鏡連接在尾纖的一端，尾纖的另一端與光纖連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光纖半絕對值編碼器，所要解決的問題是石油化工的各種油品儲罐，對其內部的液位測量難度較大，尤其是安全精確測量；本發(fā)明包括它包括殼體、光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊，其特征是光碼變送機構和光碼數(shù)據(jù)處理模塊通過光纖連接在一起；所述光碼變送機構包括安裝在殼體內的增量型光碼機構和絕對值光碼機構，增量型光碼機構通過齒輪組與絕對值光碼機構連接在一起；本發(fā)明的優(yōu)點是絕對值編碼可自動校正增量型光碼數(shù)據(jù)；當失電后又來電時可以恢復其原點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了絕對值性質的修復性數(shù)據(jù)，提高了整體測量機構的操作穩(wěn)定和方便性；這樣就實現(xiàn)了安全測量并且不需要人工到現(xiàn)場測量的目的。
文檔編號G01F23/292GK103185625SQ20121043286
公開日2013年7月3日 申請日期2012年11月3日 優(yōu)先權日2012年11月3日
發(fā)明者劉萬更 申請人:劉萬更