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新型光电编码位移传感器设计方案.pdf
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2019-09-05
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这种称为直接编码数显的位移传感器,也可称超长编码电子尺。与上述传感器相比:结构简单、性能稳定、使用方便、性价比优。与超声
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新型光电编码位移传感器设计方案
1 技术背景与主要设计挑战
目前的位移测量数显技术所用的传感器,常以模拟方式结构型居多,包括电
位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流
式位移传感器、霍尔式位移传感器等。有研究资料表明,迅速发展的数字式位移
传感器也得到了广泛的应用,其优点是信号直接送入计算机系统,如感应同步器、
码盘、光栅式传感器、磁栅式传感器。本文推出的是一种称直接编码数显的位移
传感器,也可称超长编码电子尺。与上述传感器相比:结构简单、性能稳定、使
用方便、性价比优。与超声波、雷达、磁致等无接触的测量手段相比,是彻底改
变了用电信号转换分度的方式,最大的优点是在使用过程中可与公制尺对照,标
定检验方便,可信度高。
2 结构原理
本光电编码数显尺也称电子尺,是利用条形码数字化原理和机械移动触点数
字化,二者巧妙结合的高科技产品。明确的说是用一定规格的黑点保持一定的间
距直线排列组成的一群黑白点阵的集合,代表一个单元的刻度,相当于目前的直
尺的线条刻度,也就是说用无数条黑白点阵集合,就可以代替了钢卷尺的无数条
线条刻度,同时利用激光扫描器在此尺带上移动对无数条黑白点阵集合进行扫描,
就可以方便的读出相应的数据。如同日常使用的条形码原理,也是利用黑白线条
的间距组成一组编码,代表第一组数字 1;在直线处相邻的位置也用同样的方法
组成第二组编码,代表第二组数字 2;依次类推可以在同一条尺条位置上编写很
多组连续的自然数,如 1、2、3、4、…。并且它们的间距为 1 毫米,这样连续
编码的符号通过激光读码器便可以一一的读出整个数列,那么这条直线黑白符号
和激光读码器就构成了我们称的光电编码数显位移传感器。结构如图 1、图 2、
图 3 示。
图 1 公制尺和光电编码尺在不锈钢尺带的同一面
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图 2 公制尺和光电编码尺在不锈钢尺带的异面
图 3 扫描显示示意图
如图 3 示。扫描器上安装显示屏,可以构成单点显示,如果扫描器通过网络
与计算机对接,可以实现多点显示。是测量长度(含各种几何尺寸)、位移、液
位、船舶水线、闸门开度、阀门准确定位的现代化测量工具。其特点是:属光栅
扫描原理、绝对编码组成、可正反运行、失点恢复运行、双刻度对照(公英制和
自动)、自动显示、大量程(0-100 米以上)、分辨率高(小于 1 毫米)、性能
稳定(不受温度变化等环境干扰因素)、可以测量任意线型、操作方便、安全快
捷。彻底改变了传统的模拟量 4-20 毫安电流分度的结构形式,不需要进行温度
补赏等环境因素造成的麻烦,还具备存储、记忆、运算等综合处理功能,也可以
与计算机对接进行更多高层次的数据信息管理,可以方便的输送到各个领域实现
现代化科学管理。
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3 设计技术规格
3.1 测量范围:0.1~100m 以上,分 10、20、30、50、100m 档系列产品。
3.2 测量精度:小于±1mm 或累计误差小于 3‰。
3.3 分辨率:1mm,特殊需要,加级测量可以小于 0.5mm。
3.4 适宜温度测量范围:-30℃~+65℃即常规电子元件承受温度。
3.5 温度漂移:理论上无零点漂移和温度漂移,接近钢卷尺的线性膨胀系数。
3.6 重复性:绝对编码显示,可进退测量,重复测量无差异。
3.7 应用场合:酸碱腐蚀性强的环境,防爆防潮等级:本质安全型,IP65。
3.8 电源:220V 或者 24V。
4 优缺点
比较编码数显位移传感器,也可称电子尺,最适合用于超长度测量,只要有
做尺材料的可能,印刷技术的配套,百米以上的电子尺就可以轻松的实现。与其
它形式的电子尺或超长磁尺、或其它无接触测量形式相比有如下优点:
4.1 制作工艺简单,使用操作方便,性价比优。与拉绳传感器或其它类型的
电子尺相比,制造工艺简单方便,所用的激光扫描器和条形码原理都是国内外通
用的成熟技术,不仅造价低,操作方便,如果制成自动钢卷尺,便可作为便携式
测量工具,一个测量点的配置仅需几百元。
4.2 性能稳定,干扰因素少,质量可靠。常用的电信号转换的传感器,大多
数都是将物理或者几何量转换成 0--20 毫安电流信号,然后再将 20 毫安电流信
号进行 A/D 转换分度,理论上精度可以达很高,但与处理元件等级有关,造价低
的元器件,稳定性都比较差。特别是温度影响无处不在,无时不有,常规测量有
失误现象。作者调查过:航运船舶上安装的超声波水声测量仪,一台数万元,说
明书精度等级也不错,但实际使用时,在码头口对 5-8 深的河床测量时,有时常
2-3 米之多,性能极不稳定。雷达测量仪也有同样的问题出现。编码传感器彻底
改变了电量分度的形式,完全是采用光电编码的技术,不受温度等环境因素的影
响。科学的分析其稳定性,应该说就只受其尺条材料热涨冷缩时线膨胀的影响,
如果与被测量体是同种材料,测量精度就有可能更好。
4.3 分辨率高:本光电编码传感器的分辨率有两种处理方案。
其一,直接显示方案:在尺带上每一毫米距离印刷一个条码,条码的高度 1
毫米,宽度 20-25 毫米,条码的间距为零,即条码的距离就是本尺的分辨率,这
样的精度等级应该说与钢卷尺的精度是同步的,即是在现在的钢卷尺增加一条自
动读数的电子尺了。
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