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      基于光電開關(guān)的位置感知器的制作方法

      文檔序號(hào):11910688閱讀:238來源:國(guó)知局
      基于光電開關(guān)的位置感知器的制作方法與工藝

      本發(fā)明涉及測(cè)量一個(gè)或更多個(gè)變量,涉及非專用于特定變量的測(cè)量,尤指一種基于光電開關(guān)的位置感知器。



      背景技術(shù):

      飛行、航?;蚬こ虘?yīng)用中,需要精確感知物體離參考點(diǎn)的位置、以及水平和垂直面偏移角度,它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè),國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義?,F(xiàn)有技術(shù)方法中用陀螺儀感知物體偏轉(zhuǎn)角度,可分為電陀螺儀,微機(jī)械陀螺儀,光纖陀螺儀和激光陀螺儀。低精度機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中等精度光纖陀螺儀存在零飄、角隨機(jī)游走(隨時(shí)間累計(jì)誤差)、輸出延遲等問題,受溫度影響大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。高精度靜電陀螺儀成本高昂,應(yīng)用不廣。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造相對(duì)容易的基于光電開關(guān)的位置感知器。

      本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于光電開關(guān)的位置感知器,包括殼體,其特征在于:殼體內(nèi)安裝有MPU控制器以及與該MPU控制器連接的整機(jī)人機(jī)接口和相互垂直的三軸位置感知裝置,所述三軸位置感知裝置包括依序安裝的X正半軸加速度計(jì)、X軸角度感知器、X負(fù)半軸加速度計(jì);依序安裝的Y正半軸加速度計(jì)、Y軸角度感知器、Y負(fù)半軸加速度計(jì)和依序安裝的Z正半軸加速度計(jì)、Z軸角度感知器、Z負(fù)半軸加速度計(jì)。

      所述角度感知器均分別包括第一刻度盤、第二刻度盤、無阻尼指針、有阻尼指針、指針支承軸、支架和底座,所述支架安裝于底座上,指針支承軸、第一刻度盤和第二刻度盤安裝于支架上,有阻尼指針和無阻尼指針可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸上。

      所述的第一刻度盤和第二刻度盤分別包括盤體、光電開關(guān)和盤座,盤體安裝于盤座上,其周邊上均布有若干光電開關(guān)。

      所述盤體可以是平面狀圓盤體,亦可以是半圓柱狀盤體。

      所述的有阻尼指針包括針體,在該針體上安裝有軸承,通過該軸承將針體可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸上,在所述針體上還安裝有指針控制芯片/電池和與該指針控制芯片/電池連接的電磁頭、第一無線接口、軸承和激光頭,所述第一無線接口與指針支承軸上的第二無線接口相配,完成有阻尼指針與殼體內(nèi)安裝的MPU控制器電能和數(shù)據(jù)通信。

      所述指針支承軸是空心軸,在其軸孔中串有導(dǎo)線,導(dǎo)線通電后產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng),用于校正無阻尼指針的位置。

      所述無阻尼指針結(jié)構(gòu)與有阻尼指針相同。

      激光頭的焦點(diǎn)落在刻度盤上的光電開關(guān)上,可使該光電開關(guān)閉合。

      X軸、Y軸角度感知器中指針正方向?yàn)榇怪毕蛳?,Z軸角度感知器中指針正方向?yàn)楸睒O磁場(chǎng)方向。

      所述角感知器中,第一刻度盤和第二刻度盤的盤體可以是半圓柱狀盤體。

      所述加速度計(jì)均分別包括加速度計(jì)座,其內(nèi)安裝有刻度尺、永磁體質(zhì)量塊、彈簧、第二電磁體、加速度計(jì)控制芯片/電池、第二人機(jī)接口(屏幕、外部電源數(shù)據(jù)口、開機(jī)鍵)、導(dǎo)軌和平衡位置限位器,永磁體質(zhì)量塊上安裝有激光頭,其可移動(dòng)地裝于導(dǎo)軌上其一端與彈簧連接,另一端受平衡位置限位器限位,所述加速度計(jì)控制芯片/電池與第二電磁體、激光頭以及第二人機(jī)接口電連接。

      進(jìn)一步地,所述加速度計(jì)第三無線接口和與之相配的第四無線接口,所述第三無線接口安裝于加速度計(jì)座上與控制芯片/電池電連接;所述第四無線接口與永磁體質(zhì)量塊固接。

      本發(fā)明的有益效果是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造相對(duì)容易。

      附圖說明

      下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

      圖1是本發(fā)明的架構(gòu)示意圖。

      圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例角度感知器結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖3是本發(fā)明的刻度盤結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖4是本發(fā)明的有阻尼指針結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖5是本發(fā)明的指針支承軸相關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖6是本發(fā)明第一實(shí)施例半軸加速度計(jì)架構(gòu)示意圖。

      圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例角度感知器的結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖8是本發(fā)明第二實(shí)施半軸加速度計(jì)架構(gòu)示意圖。

      圖1中:1.1為X正半軸加速度計(jì)、1.2為X軸角度感知器、1.3為X負(fù)半軸加速度計(jì)、2.1為Y正半軸加速度計(jì)、2.2為Y軸角度感知器、2.3為Y負(fù)半軸加速度計(jì)、3.1為Z正半軸加速度計(jì)、3.2為Z軸角度感知器、3.3為Z負(fù)半軸加速度計(jì)、4為MPU控制器、5為整機(jī)人機(jī)接口、6為殼體。

      在圖2(角度感知器)中:1.2.1為第一刻度盤、1.2.2為無阻尼指針、1.2.3為指針支承軸、1.2.4為支架、1.2.5為底座、1.2.6為有阻尼指針、1.2.7為第二刻度盤。

      在圖3(刻度盤)中:1.2.1.1為光電開關(guān)、1.2.1.2為平面狀圓盤體、1.2.1.3為盤座。

      在圖4(有阻尼指針)中:1.2.2.0為針體、1.2.2.1為電磁頭、1.2.2.2為指針控制芯片/電池、1.2.2.3為第一無線接口、1.2.2.4為軸承、1.2.2.5為激光頭。

      在圖5中:1.2.3.2為第二無線接口、1.2.3.3為導(dǎo)線。

      在圖6(半軸加速度計(jì))中:1.1.1為刻度尺、1.1.2為永磁體質(zhì)量塊、1.1.3為彈簧、1.1.4為第二電磁體、1.1.5為加速度計(jì)座,1.1.5.1為加速度計(jì)控制芯片/電池、1.1.5.3為第二人機(jī)接口、1.1.5.4為導(dǎo)軌、1.1.5.5為平衡位置限位器,在永磁體質(zhì)量塊1.1.2中:1.1.2.2為激光頭。

      在圖8中,1.1.5.2為第三無線接口、1.1.2.1為第四無線接口。

      具體實(shí)施方式

      參見圖1,本發(fā)明一種基于光電開關(guān)的位置感知器,包括殼體6,其特征在于:殼體6內(nèi)安裝有MPU控制器4以及與該MPU控制器連接的整機(jī)人機(jī)接口5和相互垂直的三軸位置感知裝置,所述三軸位置感知裝置包括依序安裝的X正半軸加速度計(jì)1.1、X軸角度感知器1.2、X負(fù)半軸加速度計(jì)1.3;依序安裝的Y正半軸加速度計(jì)2.1、Y軸角度感知器2.2、Y負(fù)半軸加速度計(jì)2.3;依序安裝的Z正半軸加速度計(jì)3.1、Z軸角度感知器3.2、Z負(fù)半軸加速度計(jì)3.3。

      參見圖2,所述角度感知器1.2、2.2、3.2均分別包括第一刻度盤1.2.1、第二刻度盤1.2.7、無阻尼指針1.2.1、有阻尼指針1.2.6、指針支承軸1.2.3、支架1.2.4和底座1.2.5,所述支架1.2.4安裝于底座1.2.5上,指針支承軸1.2.3、第一刻度盤1.2.1和第二刻度盤1.2.7安裝于支架1.2.4上,有阻尼指針1.2.1和無阻尼指針1.2.6可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸1.2.3上。

      參見圖3,所述的第一刻度盤1.2.1和第二刻度盤1.2.7分別包括盤體1.2.1.2、光電開關(guān)1.2.1.1和盤座1.2.1.3,平面狀圓盤體1.2.1.2安裝于盤座1.2.1.3上,其周邊上均布有若干光電開關(guān)1.2.1.1。

      在本發(fā)明第一實(shí)施例中,參見圖3,所述盤體1.2.1.2是平面狀圓盤體。

      在在本發(fā)明第二實(shí)施例中,參見圖7,所述盤體1.2.1.2是球面狀體。

      參見圖4,所述的有阻尼指針1.2.2包括針體1.2.2.0,在該針體上安裝有軸承1.2.2.4,通過該軸承將針體可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于指針支承軸1.2.3上,在所述針體上還安裝有指針控制芯片/電池1.2.2.2和與該指針控制芯片/電池連接的電磁頭1.2.2.1、第一無線接口1.2.2.3、軸承1.2.2.4和激光頭1.2.2.5,所述第一無線接口1.2.2.3與指針支承軸1.2.3上的第二無線接口1.2.3.2相配,完成有阻尼指針與殼體6內(nèi)安裝的MPU控制器4電能和數(shù)據(jù)通信。

      參見圖5,所述指針支承軸1.2.3是空心軸,在其軸孔中串有導(dǎo)線1.2.3.3,導(dǎo)線通電后產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng),用于校正無阻尼指針的位置。

      激光頭1.2.2.5的焦點(diǎn)落在刻度盤1.2.1上的光電開關(guān)1.2.1.1上,可使該光電開關(guān)閉合。

      X軸、Y軸角度感知器中指針正方向?yàn)榇怪毕蛳?,Z軸角度感知器中指針正方向?yàn)楸睒O磁場(chǎng)方向。

      所述無阻尼指針1.2.1結(jié)構(gòu)與有阻尼指針1.2.2相同。

      角度感知器工作過程如下:

      (1)啟動(dòng):接到MPU控制器4的指令后,角度感知器開始進(jìn)入測(cè)量,如果滿足校正條件先進(jìn)行校正再進(jìn)行測(cè)量。

      (2)測(cè)量:指針控制芯片/電池1.2.2.2、第二無線接口1.2.3.2、第一無線接口1.2.2.3,指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)激光頭1.2.2.5工作,光電開關(guān)1.2.1.1中接受到激光照射的光電開關(guān)閉合并將閉合光開關(guān)編號(hào)通過盤座1.2.1.3接口傳至指針控制芯片/電池1.2.2.2,指針控制芯片/電池1.2.2.2將編號(hào)處理后轉(zhuǎn)成偏轉(zhuǎn)角度輸出至MPU控制器4。

      測(cè)量過程中,無阻尼指針1.2.2始終豎直向下,第一刻度盤1.2.1、指針支承軸1.2.3、支架1.2.4、盤座1.2.5隨被測(cè)物發(fā)生相同的偏轉(zhuǎn)角度。

      (3)校正:出廠時(shí)或儀器靜止(偏轉(zhuǎn)角度不變),可以先進(jìn)行校正操作。有阻尼指針1.2.6豎直向下,指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)有阻尼指針1.2.6的激光頭工作并讀取第二刻度盤1.2.7中閉合的光電開關(guān)編號(hào)并計(jì)算輸出偏轉(zhuǎn)角,與從第一刻度盤1.2.1中閉合的光開關(guān)編號(hào)并計(jì)算輸出偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較,如果相同則校正結(jié)束。

      指針控制芯片/電池1.2.2.2啟動(dòng)由導(dǎo)線1.2.3.3形成的環(huán)形磁場(chǎng)建立無阻尼指針、盤面環(huán)形磁場(chǎng),并通過第二無線接口1.2.3.2、第一無線接口1.2.2.3、指針控制芯片/電池1.2.2.2控制電磁頭1.2.1.1產(chǎn)生磁場(chǎng)大小和方向,無阻尼指針1.2.2受到環(huán)形磁力矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)直至與有阻尼指針1.2.6位置一致。

      (4)說明:在有阻尼指針1.2.6中配置電磁頭能加快有阻尼指針靜止;而對(duì)于測(cè)量地球北極磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)角(刻度盤平面放置)時(shí)無阻尼指針1.2.2的電磁頭產(chǎn)生磁場(chǎng)方向沿?zé)o阻尼指針1.2.2方向,有阻尼指針1.2.6中必須配置電磁頭且其產(chǎn)生磁場(chǎng)方向與有阻尼指針1.2.6同向,沒有環(huán)形磁場(chǎng)發(fā)生。

      參見圖6,所述加速度計(jì)1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均分別包括加速度計(jì)座1.1.5,其內(nèi)安裝有刻度尺1.1.1、永磁體質(zhì)量塊1.1.2、彈簧1.1.3、第二電磁體1.1.4、加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1、第二人機(jī)接口1.1.5.3(屏幕、外部電源數(shù)據(jù)口、開機(jī)鍵)、導(dǎo)軌1.1.5.4和平衡位置限位器1.1.5.5,永磁體質(zhì)量塊1.1.2上安裝有激光頭1.1.2.2,其可移動(dòng)地裝于導(dǎo)軌1.1.5.4上其一端與彈簧1.1.3連接,另一端受平衡位置限位器1.1.5.5限位,所述加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1與第二電磁體1.1.4、激光頭1.1.2.2以及第二人機(jī)接口1.1.5.3電連接。

      工作時(shí):

      正常狀態(tài):加速度計(jì)座1.1.5與被測(cè)物安裝牢固,永磁體質(zhì)量塊1.1.2被第二電磁體1.1.4牢牢吸?。?/p>

      釋放磁場(chǎng):控制芯片/電池1.1.5.1向第二電磁體1.1.4發(fā)“斷開磁場(chǎng)”命令,第二電磁體1.1.4產(chǎn)生磁場(chǎng)為零,永磁體質(zhì)量塊1.1.2開始向右運(yùn)動(dòng)(不超過1mm);

      讀取刻度:永磁體質(zhì)量塊1.1.2運(yùn)動(dòng)中,刻度尺1.1.1接受激光頭1.1.2.2發(fā)出激光而閉合的光電開關(guān)不同(圖6中為-2號(hào)光電開關(guān)閉合),且閉合光電開關(guān)編號(hào)被控制芯片/電池1.1.5.1讀??;

      計(jì)算數(shù)值:控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取光電開關(guān)的編號(hào)和時(shí)刻,計(jì)算永磁體質(zhì)量塊1.1.2新的平衡位置Δx對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)編號(hào)Ni(見公式1-1至1-3),計(jì)算加速度為KNiΔL/m并將結(jié)果輸出至第二人機(jī)接口1.1.5.3,其中K為彈簧1.1.3彈性形變系數(shù),ΔL為單個(gè)光開關(guān)尺寸(50nm),m為永磁體質(zhì)量塊1.1.2的質(zhì)量、Ni為刻度尺標(biāo)度。

      其中k為彈簧1.1.3彈性形變常數(shù),E為質(zhì)量塊具有的機(jī)械能(動(dòng)能和彈性勢(shì)能)總和,L為最大量程的一半,x、v為質(zhì)量塊任意一時(shí)刻偏離0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx為新的平衡位置,對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)編號(hào)Ni為為正說明加速度向右,為負(fù)說明加速度向左。

      施加磁場(chǎng):控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)永磁體質(zhì)量塊1.1.2和速度向第二電磁體1.1.4施加強(qiáng)電流迫使永磁體質(zhì)量塊1.1.2先加速向左后減速向左,最后將永磁體質(zhì)量塊1.1.2牢牢吸于平衡位置限位器1.1.5.5。

      參見圖8,在本發(fā)明的第二實(shí)施例中,所述加速度計(jì)1.1、1.3、2.1、2.3、3.1、3.3均還包括第三無線接口1.1.5.2和與之相配的第四無線接口1.1.2.1,所述第三無線接口1.1.5.2安裝于加速度計(jì)座1.1.5上與控制芯片/電池1.1.5.1電連接;所述第四無線接口1.1.2.1與永磁體質(zhì)量塊1.1.2固接。

      工作過程如下:

      (1)測(cè)量:一次采樣過程如下

      ①釋放磁場(chǎng):加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1關(guān)閉第二電磁體1.1.4電流,截?cái)嗥浯艌?chǎng),永磁體質(zhì)量塊1.1.2向右移動(dòng)一段微小距離(速度變小或停止的位移,一般不超過0.5mm);

      ②讀取刻度:加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1通過第三無線接口1.1.5.2與第四無線接口1.1.2.1點(diǎn)亮激光頭1.1.2.2,并讀取和記錄永磁體質(zhì)量塊1.1.2移動(dòng)時(shí)光電開關(guān)1.2.1.1中受激光照射閉合光電開關(guān)的編號(hào)和時(shí)刻;

      ③求取加速度:加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取的光電開關(guān)1.2.1.1編號(hào)和時(shí)刻,求取永磁體質(zhì)量塊1.1.2新的平衡位置Δx對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)編號(hào)Ni,則測(cè)出的加速度為KNiΔL/m并將結(jié)果輸出至第二人機(jī)接口1.1.5.3,其中K為彈簧1.1.3彈性形變系數(shù),ΔL為單個(gè)光開關(guān)尺寸(50nm),m為永磁體質(zhì)量塊1.1.2的質(zhì)量、Ni為刻度尺標(biāo)度。

      其中k為彈簧1.1.3彈性形變常數(shù),E為質(zhì)量塊具有的機(jī)械能(動(dòng)能和彈性勢(shì)能)總和,L為最大量程的一半,x、v為質(zhì)量塊任意一時(shí)刻偏離0刻度(初始平衡位置)位移、速度。Δx為新的平衡位置,對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)編號(hào)Ni為

      ④施加磁場(chǎng):加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1根據(jù)讀取的刻度求出永磁體質(zhì)量塊1.1.2位置和速度,向第二電磁體1.1.4施加強(qiáng)電流迫使永磁體質(zhì)量塊1.1.2先加速向左后減速向左,在平衡位置處速度為零,最后加強(qiáng)磁場(chǎng)將永磁體質(zhì)量塊1.1.2牢牢固定于平衡位置限位器處1.1.5.5。

      (2)校正:出廠時(shí)或儀器靜止(加速度不變),可以通過第二人機(jī)接口1.1.5.3向加速度計(jì)控制芯片/電池1.1.5.1發(fā)校正命令。此時(shí)測(cè)量出平衡位置對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)編號(hào)并整體修正刻度尺編號(hào)(整體-)。

      (3)說明:本方案中激光頭1.1.2.2和光電開關(guān)1.2.1.1刻度尺位置可互換,永磁體1.1.2.3和第二電磁體1.1.4位置可互換,彈簧1.1.3提供的彈力可用電磁力、電場(chǎng)力代替。

      將三個(gè)單軸加速度計(jì)(或六個(gè)半軸加速度計(jì))和三個(gè)單軸角度感知器按本發(fā)明的布置可做成三軸位置傳感器,進(jìn)行全方位空間位置感知。

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