專利名稱：直線運動檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密儀器領(lǐng)域，具體是一種直線運動檢測裝置。
技術(shù)背景
現(xiàn)有的直線運動檢測方式包括直接測量和間接測量兩種。采用直接測量方式的裝置包括直線光柵、直線感應(yīng)同步器和激光干涉儀等。這些裝置直接安裝在被測物體上，測量結(jié)果可直接反映直線位移量，具有很高的測量精度，但存在以下的一些不足
1、直線光柵和直線感應(yīng)同步器等測量裝置必須與直線運動行程等長。對于大型數(shù)控機床采用這類測量裝置，高成本是一個很大的限制。而對于一些運動路徑很長的直線運動(如列車運行)，采用這類測量裝置產(chǎn)生的成本更是不可接受的。
2、直線光柵和激光干涉儀等利用光學(xué)原理設(shè)計制造的檢測裝置受環(huán)境因素的影響較大。在檢測環(huán)境惡劣，測量距離較長時，這一缺點比較突出。當測量范圍內(nèi)出現(xiàn)較大顆粒的塵土或異物時，此類檢測裝置的光路會受到影響，從而嚴重影響直線運動過程的檢測精度。
3、現(xiàn)有的高精度檢測裝置的安裝要求很高。直線光柵的讀數(shù)頭與光柵尺之間的間距很小，要求光柵尺安裝的表面平行度很高，如出現(xiàn)較大震動，光柵尺會出現(xiàn)斷裂，整個直線光柵則會失效。直線感應(yīng)同步器的定尺和滑尺之間距離很小，并保持平行安裝，安裝難度較大。激光干涉儀的長度干涉儀安裝在不動位置，反射器安裝在運動物體上，當運動物在橫向出現(xiàn)一定偏離時，反射光路則無法到達長度干涉儀，無法進行動態(tài)運動過程的檢測，因此要求物體運動軌跡在同一直線上，而對于運動路徑較長的直線運動，是幾乎無法實現(xiàn)的。
間接測量裝置是將檢測裝置安裝在直線運動物體的轉(zhuǎn)動件上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量運動物體的直線位移。例如目前在列車和汽車上使用輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器計數(shù)過程來轉(zhuǎn)換并檢測運動過程，以及機床的驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)軸上安裝光電編碼器，間接測量加工的位置和速度。但間接測量裝置的缺點在于，測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。在一些極端情況(例如物體起動時轉(zhuǎn)動件打滑)下，這一缺點更加突出。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種直線運動檢測裝置。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種直線運動檢測裝置，包括編碼器、檢測塊、檢測控制器、數(shù)據(jù)采集單元及數(shù)據(jù)處理單元，其中，檢測塊輸出兩對正交信號，檢測控制器通過光纖對檢測塊的輸出信號進行接收與合并，數(shù)據(jù)采集單元與檢測控制器連接，對檢測控制器合并后的輸出信號進行接收和調(diào)理，數(shù)據(jù)采集單元輸出的兩對最終正交信號送入數(shù)據(jù)處理單元；
所述編碼器與檢測塊之間在被測物體運動時存在相對運動，檢測塊與檢測控制器、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元之間處于相對靜止的狀態(tài)。
所述編碼器為加工有齒槽的金屬條。
所述檢測塊數(shù)量為3N，其中，N ^ 1，每個檢測塊的間距為編碼器上齒距的整數(shù)倍。
所述檢測控制器數(shù)量為2N，其中，N ^ 1，每兩個檢測控制器對三個檢測塊輸出的兩對正交信號進行接收與合并。
所述檢測塊為四個渦流接近開關(guān)，所述四個渦流接近開關(guān)根據(jù)超級正交方式排列。
所述超級正交為檢測塊輸出的兩對正交信號，兩對正交信號相差1/8個周期。
所述數(shù)據(jù)處理單元包括微處理器，所述微處理器處理數(shù)據(jù)采集單元輸出的兩對最終正交信號采用卡爾曼濾波原理。
第j個檢測控制器輸出的正交信號對與第j+2個檢測控制器輸入的正交信號對之間連接有電子開關(guān)，其中，1彡j ( 2N-2。
本發(fā)明的目的是該直線運動檢測裝置利用按一定規(guī)律分布安裝的渦流接近開關(guān)和齒槽編碼器，采用“超級正交”計數(shù)方式和卡爾曼濾波處理方法，能夠在如下五個方面有效解決目前檢測裝置的一些缺點
1、此裝置采用直接測量方式，可檢測理論上無限長的運動過程，并且成本相對低廉；
2、采用“超級正交”方式，利用兩對正交信號同時配合計數(shù)，可大幅提高檢測精度；
3、在惡劣檢測環(huán)境下的抗干擾性強，檢測精度不受較大顆粒塵土或異物的影響；
4、安裝比較方便，允許運動物體與不動位置間出現(xiàn)一定的偏移，檢測距離較大；
5、通過卡爾曼濾波方法對位置信號進行處理，可同時輸出精確的運動物體位置、 速度和加速度信號，彌補目前檢測裝置一般只能輸出單一信號的不足。
本發(fā)明所述的直線運動檢測裝置的編碼器或檢測塊可安裝在運動軌跡上，可滿足全程測量要求，具有較大的優(yōu)越性。由于采用渦流接近開關(guān)，可有效地防止較大顆粒塵土或異物的影響；采用“超級正交”方式，可使位置檢測精度達到原來采用單個正交計數(shù)方法的兩倍；采用卡爾曼濾波原理，可獲得精確的動態(tài)性能參數(shù)。


圖1為本發(fā)明直線運動過程檢測的方框圖2為本發(fā)明檢測塊與編碼器空間位置布置圖3為本發(fā)明檢測塊及后續(xù)部分連接圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理單元中卡爾曼濾波處理方法的方框圖中，1為編碼器，2為檢測快，3為檢測控制器，4為數(shù)據(jù)采集單元，5為數(shù)據(jù)處理單兀。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例提供的直線運動檢測裝置，包括編碼器1、檢測塊2、檢測控制器3、數(shù)據(jù)采集單元4和數(shù)據(jù)處理單元5，其中，編碼器1為加工有齒槽的金屬條；檢測塊 2的數(shù)量為3N，其中N > 1，每一個檢測塊2為四個渦流接近開關(guān)，四個渦流接近開關(guān)根據(jù)超級正交方式排列，每個檢測塊2的間距為編碼器1上齒距的整數(shù)倍，當渦流接近開關(guān)與齒槽間有相對運動時，渦流接近開關(guān)產(chǎn)生由高低電平組成的脈沖信號，每個檢測塊2輸出兩對正交信號，兩對正交信號相差1/8個周期；檢測控制器3的數(shù)量為2N，其中N ^ 1，每兩個檢測控制器3將三個檢測塊2輸出的信號進行接收合并處理，輸出統(tǒng)一的兩對正交信號，通過光纖輸送到較遠位置的數(shù)據(jù)采集單元4 ；數(shù)據(jù)采集單元4將多個檢測控制器3的輸出信號進行合并處理，輸出最終的兩對正交信號；數(shù)據(jù)處理單元5的微處理器將最終的正交信號進行計數(shù)，獲得位置信號，針對位置信號直接進行時間微分時會出現(xiàn)雜亂脈沖等問題，采用卡爾曼濾波原理，最終獲得平滑和精確的運動物體位置、速度和加速度信號。
具體地，編碼器1和檢測塊2之間在被測物體運動時存在相對運動，檢測塊2與檢測控制器3、數(shù)據(jù)采集單元4和數(shù)據(jù)處理單元5則處于相對靜止的狀態(tài)。
由于檢測塊2由渦流接近開關(guān)組成，相對成本較高，因此從成本角度考慮，需要根據(jù)運動軌跡長度的大小，確定編碼器1安裝在運動物或是靜止軌跡上。對于高鐵和磁懸浮列車運行等超長距離的應(yīng)用場合，如檢測塊2安裝在運行軌道旁，成本過高并且安裝困難， 可以考慮將運行軌道可作為編碼器1使用高鐵列車軌道的軌枕可嵌入或包裹鐵皮，而現(xiàn)有磁懸浮列車的軌道的軌枕為鋼板。檢測塊2則安裝在車身底部，沿車身徑向安裝的多個檢測塊2可實現(xiàn)動態(tài)測量校準和冗余檢測；對于汽車出廠加減速試驗和大型機械直線傳動機構(gòu)等運行距離相對不長的應(yīng)用場合，由加工有齒槽的金屬條構(gòu)成的編碼器1可安裝在運動物上，而檢測塊2每間隔一定距離安裝在靜止的運動軌跡上。
運動過程開始后，安裝在運動軌跡或運動物上的檢測塊2輸出兩對正交信號；檢測控制器3通過光纖對檢測塊2的輸出信號進行接收與合并；數(shù)據(jù)采集單元4與檢測控制器3連接，對多個檢測控制器3合并后的輸出信號進行接收和調(diào)理；數(shù)據(jù)采集單元4輸出的兩對最終正交信號送入數(shù)據(jù)處理單元5，進行卡爾曼濾波處理，獲得位置、速度和加速度等動態(tài)性能參數(shù)。
為了更好地理解按“超級正交”方式布置編碼器1和檢測塊2的原理，圖2中給出了兩者安裝的空間位置和尺寸。每個檢測塊由四個渦流接近開關(guān)組成，如第1)個檢測塊an由渦流接近開關(guān)21a、21b、21c、21d組成，編碼器1由齒距為(I1的金屬齒槽構(gòu)成。 檢測塊an內(nèi)的渦流接近開關(guān)探頭的檢測距離d3根據(jù)實際檢測需要在幾毫米到幾十毫米范圍內(nèi)可選。檢測塊2內(nèi)部相鄰的渦流接近開關(guān)的間距為(11+1/8)4，其中η為非負整數(shù)，由此第m個檢測塊an內(nèi)部的第1個渦流接近開關(guān)21a與第3個渦流接近開關(guān)21c的間距為 Οη+ΙΛ)+。在與編碼器1相對運動時，兩者輸出一對正交方波信號，而第2個渦流接近開關(guān)21b與第4個渦流接近開關(guān)21d也同樣輸出一對正交方波信號，這兩對連續(xù)正交信號之間相差1/8個周期。第m個檢測塊an與第m+1個檢測塊2p的間距為N (I1，其中N為自然數(shù)。編碼器1的長度為(12，并且d2>N Cl10因此，在運動過程中，編碼器可以同時覆蓋第m 個檢測塊an與第m+1個檢測塊2p中序號相同的渦流傳感器，例如渦流接近開關(guān)21a與21e。 由于在運動過程中，渦流接近開關(guān)21a與21e的輸出方波信號相同，因此可以假設(shè)它們輸出方波信號的編號都為K,依次類推，可假設(shè)21b與21f、21c與21g、21d與21h的輸出方波信號的編號分別SA2J1^y由于d2>N Cl1，因此運動過程的任何時亥lj，總能確保信號W B1^B2的存在。根據(jù)上述分析，A1與B1為一對正交信號，A2與化為一對正交信號，并且這兩對連續(xù)正交信號相差1/8個周期。
如圖3所示，每2個檢測控制器對3個檢測塊輸出的編號相同的兩對正交信號進行接收，例如第1個檢測控制器3a的光纖接收器接收第1個檢測塊2a、第2個檢測塊2b和第3個檢測塊2c的光纖發(fā)射器輸出并通過光纖傳輸?shù)恼恍盘枌?00(包括A1與B1)，第 2個檢測控制器北的光纖接收器接收第1個檢測塊加、第2個檢測塊2b和第3個檢測塊 2c的光纖發(fā)射器輸出并通過光纖傳輸?shù)恼恍盘枌?00 (包括A2與B2)。假設(shè)共安裝有業(yè)個檢測控制器，依次類推，第業(yè)-1 (其中k為自然數(shù))個檢測控制器3e和第業(yè)個檢測控制器3f合并接收第3k-2個檢測塊2g、第3k-l個檢測塊池和第3k個檢測塊2i輸出的正交信號對100和正交信號對200。如果檢測塊的總數(shù)目(3k-2或3k-l)不是3的整數(shù)倍，則檢測控制器3e與檢測控制器3f合并接收1個(檢測塊2g)或2個檢測塊(檢測塊2g和 2h)輸出的兩對正交信號，整體檢測不受影響。
根據(jù)檢測塊內(nèi)渦流接近開關(guān)的輸出與經(jīng)過編碼器發(fā)生渦流感應(yīng)的邏輯關(guān)系，檢測控制器對3個檢測塊的編號相同的正交方波信號(例如A1)進行邏輯合并，即當渦流接近開關(guān)通過編碼器的齒時輸出高電平則為“或”；通過編碼器的齒時輸出低電平則為“與”。檢測控制器之間的信號連接采用從后向前“接龍”的方式，最后一個即第業(yè)個檢測控制器3f 將經(jīng)過合并處理的正交信號對200傳輸?shù)降跇I(yè)-2個檢測控制器，第業(yè)-1個檢測控制器3f 將經(jīng)過合并處理的正交信號對100傳輸?shù)降跇I(yè)-3個檢測控制器。第業(yè)-2和業(yè)-3個檢測控制器分別將自己產(chǎn)生的正交信號對200和100與第業(yè)和業(yè)-1個檢測控制器傳輸過來的正交信號對200和100進行邏輯合并，最終產(chǎn)生的正交信號對200和100分別送入第業(yè)_4 和業(yè)-5個檢測控制器。依次類推，第4個檢測控制器3d和第3個檢測控制器3c分別將最終輸出的正交信號對200和正交信號對100送入第2個檢測控制器北和第1個檢測控制器3a，并與其內(nèi)部產(chǎn)生的正交信號進行邏輯合并，最終的結(jié)果送入數(shù)據(jù)采集單元4進行信號調(diào)理處理。
本發(fā)明還考慮了信號傳輸?shù)娜哂嘈?。除了第業(yè)-1個檢測控制器!Be和第業(yè)個檢測控制器3f，其余的第j(l ( j ( 2k-2)個檢測控制器的最終輸出的正交信號對與第j+2 個檢測控制器輸入進來的正交信號對之間連接有電子開關(guān)，例如圖3中第1個檢測器最終輸出的正交信號對100與第3個檢測控制器輸入進來的正交信號對100之間裝有電子開關(guān) 31a0
當?shù)趈個檢測控制器出現(xiàn)故障無法工作時，它對應(yīng)的電子開關(guān)導(dǎo)通，將第j個檢測控制器屏蔽，這樣，第j+2個檢測控制器的輸出直接送入第j_2個檢測控制器中，最后還是通過第i(j為奇數(shù)時i = 2，j為偶數(shù)時i = 1)個檢測控制器輸出到數(shù)據(jù)采集單元4。 在這種情況下，當編碼器1僅覆蓋第j個檢測控制器對應(yīng)的第3Xmod[(j+l)/2]-2到第 3Xmod[(j+l)/2](其中mod為除法運算求商的算子)個檢測塊區(qū)域時，數(shù)據(jù)采集單元4只能接收第i(j為奇數(shù)時i = 2，j為偶數(shù)時i = 1)個檢測控制器的一對有效正交信號輸出， 此時，檢測精度降低一半，但仍能進行有效的位置檢測。而當編碼器1覆蓋其余檢測控制器對應(yīng)的檢測塊區(qū)域時，數(shù)據(jù)采集單元4可以由第1、2個檢測控制器3a和北接受兩對有效的正交信號，檢測精度不受影響?？偠灾?，在本發(fā)明中，不管哪個檢測控制器出現(xiàn)故障，動態(tài)過程檢測均可正常進行，由此保證了檢測的冗余性。
數(shù)據(jù)處理單元5對接收進來的兩對正交信號(A1和Bp A2和B2)分別計數(shù)的過程如表1所示，其中丨代表下降沿，丨代表上升沿。假設(shè)四個信號的初始狀態(tài)均為高電平，當 A1和B1出現(xiàn)上升沿或下降沿時，第1對正交信號100進行一次計數(shù)；當A2和化出現(xiàn)上升或下降沿時，第2對正交信號200進行一次計數(shù)，表1中的Δ工表示正交信號對100的初始計數(shù)位置，Δ2表示正交信號對200的初始計數(shù)位置，δ表示檢測精度(根據(jù)圖2描述的安裝尺寸，δ =(1/8)。理論上Δ2= Δ 1+δ，并可根據(jù)金屬條齒槽實際加工情況進行細微調(diào)整。 值得注意的是當齒寬與槽寬相等時，四個信號中每出現(xiàn)一個上升或下降沿，實際位置增加 δ ；當齒寬與槽寬不等時，數(shù)據(jù)處理單元5仍然按照類似規(guī)律處理，即每出現(xiàn)一個下降或上升沿，位置值增加δ，此時，雖然實際位置不一定嚴格按照δ階梯上升(如表1中正交對 100第3次計數(shù)與正交對200第2次計數(shù)對應(yīng)位置差可能小于δ，甚至小于0)，但由于一個周期保持8次計數(shù)，最終位置檢測平均精度仍為δ。
如下表1為位置正交信號進入數(shù)據(jù)處理單元計數(shù)過程表。
表 1
如圖4所示，卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器(自回歸濾波器)，與大多數(shù)濾波器不同之處，在于它是一種純粹的時域濾波器，不需要像低通濾波器等頻域濾波器那樣，在頻域設(shè)計再轉(zhuǎn)到時域?qū)崿F(xiàn)。它能夠從一系列包含噪聲的測量中，準確估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。圖4中的觀測器MO的輸入531為實際的位置計數(shù)值(隨時間階梯上升，如直接微分，得到的速度為一系列混亂脈沖)，輸出521為平滑的位置估計值；觀測器550的輸入532為觀測器540輸出的平滑的速度估計值，觀測器550的輸出522為平滑的加速度估計值。最終在數(shù)據(jù)處理單元5中通過卡爾曼濾波處理方法獲得并輸出的位置、速度、加速度輸出值為521,532和522。觀測器540和觀測器550中出現(xiàn)的增益51a、51b、51c、51d、51e、 51f可參考有關(guān)卡爾曼濾波器的資料進行計算獲得。
權(quán)利要求
1.一種直線運動檢測裝置，其特征在于，包括編碼器、檢測塊、檢測控制器、數(shù)據(jù)采集單元及數(shù)據(jù)處理單元，其中，檢測塊輸出兩對正交信號，檢測控制器通過光纖對檢測塊的輸出信號進行接收與合并，數(shù)據(jù)采集單元與檢測控制器連接，對檢測控制器合并后的輸出信號進行接收和調(diào)理，數(shù)據(jù)采集單元輸出的兩對最終正交信號送入數(shù)據(jù)處理單元；所述編碼器與檢測塊之間在被測物體運動時存在相對運動，檢測塊與檢測控制器、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元之間處于相對靜止的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述編碼器為加工有齒槽的金屬條。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述檢測塊數(shù)量為3N，其中，N > 1，每個檢測塊的間距為編碼器上齒距的整數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述檢測控制器數(shù)量為2N， 其中，N ^ 1，每兩個檢測控制器對三個檢測塊輸出的兩對正交信號進行接收與合并。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，第j個檢測控制器輸出的正交信號對與第j+2個檢測控制器輸入的正交信號對之間連接有電子開關(guān)，其中， 1 ^ j ^ 2N-2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述編碼器和檢測塊按照超級正交方式布置，當所述編碼器和檢測塊按照超級正交方式布置時，所述檢測塊輸出兩對正交信號，且所述兩對正交信號相差1/8個周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述檢測塊為四個渦流接近開關(guān)，所述四個渦流接近開關(guān)根據(jù)所述超級正交方式排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運動檢測裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理單元包括微處理器，所述微處理器處理數(shù)據(jù)采集單元輸出的兩對最終正交信號采用卡爾曼濾波原理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直線運動檢測裝置，包括編碼器、檢測塊、檢測控制器、數(shù)據(jù)采集單元及數(shù)據(jù)處理單元，其中，檢測塊輸出兩對正交信號，檢測控制器通過光纖對檢測塊的輸出信號進行接收與合并，數(shù)據(jù)采集單元與檢測控制器連接，對檢測控制器合并后的輸出信號進行接收和調(diào)理，數(shù)據(jù)采集單元輸出的兩對最終正交信號送入數(shù)據(jù)處理單元，檢測塊根據(jù)超級正交方式排列。本發(fā)明滿足全程測量要求，采用渦流接近開關(guān)，防止較大顆粒塵土或異物的影響；采用“超級正交”方式，使位置檢測精度達到原來采用單個正交計數(shù)方法的兩倍；采用卡爾曼濾波原理，可獲得精確的動態(tài)性能參數(shù)。
文檔編號G01D5/244GK102519496SQ201110383179
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者吳紅杰, 張希, 殷承良, 陳俐 申請人:上海交通大學(xué)