專利名稱:具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法
本發(fā)明涉及一種具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有計(jì)算機(jī)的，能對中小位移量進(jìn)行精確、連續(xù)測量的位移測量設(shè)備和方法。
由于計(jì)算機(jī)可以對信息進(jìn)行貯存、處理、所以在位移測量領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)把計(jì)算機(jī)用于測量時，將位移信息送入該計(jì)算機(jī)是必需的。
有兩類傳統(tǒng)的方法可以把位移量轉(zhuǎn)換成電信號。第一類是使用光柵，磁尺等具有不同物理刻線的尺子，當(dāng)有位移時，檢測系統(tǒng)可以把走過的刻線的數(shù)目變成相應(yīng)數(shù)目的電脈沖。第二類方法是使用電參數(shù)隨位移的改變而變化的電感器或電容器作為傳感器。使用時傳感器上通有固定頻率的交流電，所以，對應(yīng)于每個確定的位移，傳感器上都有一個確定的電壓值，這就是傳感器的輸出信號。
上面所述的第一類方法的優(yōu)點(diǎn)是量程可以做得很大，分辨率較高，而且不會隨量程的增加而下降，輸出的電信號是數(shù)字量信息，可以直接送入計(jì)算機(jī)，缺點(diǎn)是成本高，制造困難，使用條件苛刻，安裝布置困難，所以一般僅限于在量程大而且分辨率要求高的場合使用，如數(shù)控機(jī)床，坐標(biāo)測量等。第二類方法的優(yōu)點(diǎn)是制造簡易，價格低廉，安裝布置靈活方便。不足的是分辨率隨量程的增加而降低，一般只能做到分辨率為量程的百分之幾。這類方法的輸出信號是模擬量，不能直接被計(jì)算機(jī)處理。這種傳感器被廣泛地應(yīng)用于量程很小的場合或量程稍大但分辨率要求很低的場合，如電動量儀的測頭、要求不高的電子稱等。如若把這類傳感器輸出的電信號送入計(jì)算機(jī)處理，就需要進(jìn)行線性放大和“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換，而一般地說，線性放大器和“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)中兩個較大的誤差源和成本源，故而，迄今為止，將這類傳感器輸出的電信號送入計(jì)算機(jī)處理都是以犧牲一定的精度和高成本為代價的。
申請人:所知道的與上述測量設(shè)備和方法有關(guān)的文件有(1)航空工業(yè)部長城科學(xué)儀器廠產(chǎn)品目錄-電感式位移傳感器CWG;(2)瑞士TESATRONIC公司產(chǎn)品說明;(3)蘇聯(lián)專利SU 102596;(4)1984年3月出版的哈爾濱工業(yè)大學(xué)強(qiáng)錫富主編的《電動量儀》。
測量儀器電腦化的主要問題是測量數(shù)據(jù)如何進(jìn)入計(jì)算機(jī)，本發(fā)明的目的在于為位移信息進(jìn)入計(jì)算機(jī)提供一種廉價、易行的，能達(dá)到高精度的設(shè)備和方法。
本發(fā)明另一個目的在于提供一種改善了的，具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法，根據(jù)該設(shè)備和方法，可以在中、小量程的范圍內(nèi)不使用光柵，磁尺一類的測量手段，達(dá)到相同的精度，降低對安裝環(huán)境的要求，使操作使用更加靈活便利，同時也降低了成本。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種改善了的，具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法，根據(jù)設(shè)備和方法，可以不使用線性放大器和“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器而將位移量送入計(jì)算機(jī)，從而減少誤差環(huán)節(jié)，提高測量精度，同時也降低了成本。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種改善了的，具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法，根據(jù)該設(shè)備和方法，可以對隨時間變化而變化的位移量進(jìn)行連續(xù)的高精度測量。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種改善了的，具有計(jì)算機(jī)的測量設(shè)備和方法，使其能夠更方便地應(yīng)用于各種利用測量位移量而測量重量，加速度，或壓力等的場合。
下面將說明本發(fā)明的內(nèi)容，既本發(fā)明的構(gòu)成和工作方法。
本發(fā)明是一種“門控計(jì)頻”位移測量設(shè)備和方法。從結(jié)構(gòu)上講，本發(fā)明包括將位移量轉(zhuǎn)換成頻率與位移量相應(yīng)的電信號的位移傳感裝置1;門裝置2;計(jì)數(shù)裝置3和計(jì)算機(jī)4;;計(jì)數(shù)裝置和計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個“計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)”;位移傳感器的輸出信號作為門裝置的輸入信號;門裝置的輸出信號作為計(jì)數(shù)裝置的輸入信號;門裝置的“開”、“關(guān)”狀態(tài)由計(jì)算機(jī)控制;計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)直接處理對應(yīng)于一定位移的具有相應(yīng)頻率的電信號。
在生產(chǎn)和調(diào)試所述的位移測量設(shè)備時，要對該設(shè)備進(jìn)行多點(diǎn)標(biāo)定工作。在標(biāo)定時，首先由位移傳感裝置把一系列的已知的位移量轉(zhuǎn)換成一系列電信號，每個電信號的頻率與每個位移量相對應(yīng)，然后由計(jì)數(shù)裝置對每個電信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到每個電信號的頻率的數(shù)值，該數(shù)值被送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將每個電信號的頻率和它所對應(yīng)的位移量形成一個表格存貯起來，以備實(shí)際測量時使用。
在執(zhí)行測量工作時，首先由位移傳感裝置將被測對象的位移量轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號的頻率隨位移量變化而變化。這個電信號被送至門裝置的輸入端，計(jì)算機(jī)定期“打關(guān)”，“關(guān)閉”門裝置。計(jì)數(shù)裝置對于門“打開”期間所通過的電信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到一個數(shù)值，這個數(shù)值本身則包含了位移的信息。計(jì)算機(jī)通過普通的接口電路讀入該包含了位移信息的數(shù)值，并根據(jù)前面所述的存貯的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行處理，從而獲得了位移量數(shù)據(jù)。該位移量的結(jié)果可以在終端上顯示，可以打印輸出或作為其它控制工作的參量使用，也可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理。
本發(fā)明與傳統(tǒng)的位移測量設(shè)備和方法比較主要有如下優(yōu)點(diǎn)首先，與傳統(tǒng)的位移測量設(shè)備和方法相比，本發(fā)明的位移測量設(shè)備和方法可以達(dá)到更高的測量精度。舉例來說，在16毫米的量程之內(nèi)，分辨率可以達(dá)到0.6微米，分辨率與量程相比，可以達(dá)到十萬分之幾的水平。與一般的模擬輸出電感式傳感系統(tǒng)相比，此項(xiàng)指標(biāo)提高了上千倍。在20毫米量程范圍之內(nèi)，本發(fā)明可以做到比光柵系統(tǒng)分辨率還要高，可以取而代之。
其次，與傳統(tǒng)的位移測量設(shè)備和方法相比，本發(fā)明的位移測量設(shè)備和方法的成本有很大程度的降低，這是因?yàn)楸景l(fā)明中的“門控計(jì)頻”電路替代了傳統(tǒng)的“電感、電容式位移傳感器-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”中的線性放大器電路和“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換電路，而后面將要敘述的本發(fā)明最佳實(shí)施方案的“門控計(jì)頻”電路本身的成本只是線性放大器電路和“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換電路的十分之一。
另外，與傳統(tǒng)的位移測量設(shè)備和方法相比，在一定的量程之內(nèi)，本發(fā)明的設(shè)備和方法兼有前面所述二類先有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的一個框圖，簡要地說明了本發(fā)明的構(gòu)成和各部分之間的相互關(guān)系;
圖2是本發(fā)明最佳實(shí)施方案的電路圖;
圖3是一個波形圖，用來說明本發(fā)明的最佳實(shí)施方案的電路。
下面將參照圖2來詳細(xì)說明本發(fā)明的最佳實(shí)施方案。
圖2表述了關(guān)于本發(fā)明的一具體實(shí)施例。其中電容C1的一端與場效應(yīng)晶體管T1的柵極G端相連，另一端與電源的正極V+相連。電容C2的一端接在場效應(yīng)晶體管T1的漏極D端上，另一端與場效應(yīng)晶體管T1的源極S端相連。電容C3的一端與場效應(yīng)晶體管T1的源極S端相連，另一端接場效應(yīng)晶體管T1的柵極G端。電感L1的一端和電源的正極V+相連。另一端則與場效應(yīng)晶體管T1的漏極D相連。電感L2的一端和場效應(yīng)晶體管T1的源極S端相連，另一端和晶體管T1的門極G端相連。磁棒B1可以在電感L1的線圈中移動，且它的一端露在線圈外面與一探頭固定連接。上述元件按所述方式聯(lián)接構(gòu)成一位移傳感裝置10(圖中虛線所包括的部分)。該位移傳感裝置10，實(shí)際上是一LC振蕩裝置，只是磁棒B1可以在電感L1的線圈中移動，從而改變了電感L1的電感量。電感L1的電感量的改變導(dǎo)致該振蕩裝置的振蕩頻率隨之改變。從而使得位移傳感裝置10可以用一頻率的變化表示出一位移的變化。輸出電路15是用來對上述位移傳感裝置10的信號進(jìn)行隔離輸出的。它的輸入端接在電容C3的兩端上，它的輸出端的一端接地，另一端接至可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的輸入端B?？煽貑畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的控制端A通過線17與計(jì)算機(jī)40的輸入/輸出口P1位相連，以便可以接收到從計(jì)算機(jī)40中傳來的控制信號?？煽貑畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器20可以根據(jù)計(jì)算機(jī)40的指示封鎖輸出電路15送來的信號，同時還兼有整形的作用?？煽貑畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的輸出端Q通過線28和計(jì)數(shù)器30的計(jì)數(shù)C相連。該計(jì)數(shù)器為可編程計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器30的計(jì)數(shù)值能通過數(shù)據(jù)總線34向計(jì)算機(jī)40輸入，計(jì)算機(jī)40亦可通過數(shù)據(jù)總線34向計(jì)數(shù)器30發(fā)出控制字。
上述元件，按上述所說的聯(lián)接方式構(gòu)成一具有數(shù)據(jù)采集、處理功能的計(jì)算機(jī)位移測量裝置，該裝置工作如下測量開始時，固定在磁棒B1一端的探頭(圖中沒有示出)，接觸到被測物，而磁棒B1的另一端扦在電感L1的在線圈中。此時電感L1的電感量為一定值，則位移傳感裝置10的振蕩頻率為一定值。輸出電路16將這一固定頻率的信號隔離輸出，經(jīng)線16送給可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的輸入端B。最初，計(jì)算機(jī)40通過輸入輸出口的一位，(假設(shè)P1位)，經(jīng)線17向可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的控制端C發(fā)出控制命令(如高電平)，讓它禁止信號通過。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線把一系列控制字寫入可編程計(jì)數(shù)器，把該器件置成計(jì)數(shù)狀態(tài)，并使之置入一個確定的計(jì)數(shù)初值。然后，計(jì)算機(jī)40通過輸入輸出口P1位，線17向可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的控制A發(fā)出控制信號(如低電平)，命令它允許信號通過。則該具有一定頻率的信號經(jīng)可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20，線28，傳送到計(jì)數(shù)器30計(jì)數(shù)端C。計(jì)數(shù)器30在一預(yù)定的時間間隔t內(nèi)對該信號的脈沖數(shù)目計(jì)數(shù)，t時間后，計(jì)算機(jī)40立刻通過輸入輸出口P1位，經(jīng)線17向可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20發(fā)出控制命令(高電平)禁止信號通過。然后，計(jì)算機(jī)40通過數(shù)據(jù)總線34讀出計(jì)數(shù)器34的值，然后把此讀值送入內(nèi)存或作其它處理。圖3是上述計(jì)算機(jī)采集信號脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)時序圖。其中，(1)是輸入到可控單穩(wěn)態(tài)能發(fā)器20的輸入端B的信號的波形。(2)是可控制單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20的控制端接收到的控制信號的波形。(3)是觸發(fā)器20的輸出端Q所輸出的波形。對于一定的計(jì)數(shù)時間間隔t，不同的計(jì)數(shù)數(shù)值就反映了信號的不同頻率。當(dāng)探頭隨被測物沿電感L1的線圈軸向移動時，由于磁棒B1的一端，是和探頭固定在一起的，則磁棒B1的另一端就會在線圈里產(chǎn)生相同的位移量。由于磁棒B1的移動，使得電感L1的電感量的改變，則使得位移傳感裝置10的振蕩頻率改變。計(jì)算機(jī)40重復(fù)前面所述的操作，從而得到具有另一頻率的信號的脈沖計(jì)數(shù)。在本實(shí)施例中，使用本裝置之前，首先應(yīng)對該裝置進(jìn)行標(biāo)定。即用一些已知的位移量作為標(biāo)準(zhǔn)，測定它們在位移傳感器裝置10中的振蕩頻率的計(jì)數(shù)值，并且把這些計(jì)數(shù)值及其對應(yīng)的位移量存在計(jì)算機(jī)40的存儲器中，形成一個表格作為永久性資料。在本實(shí)施例中，我們用測量塊規(guī)的方法，來得到已知的位移量及其所對應(yīng)的頻率計(jì)數(shù)值。即選定一固定標(biāo)定起點(diǎn)，對一系列不同的塊規(guī)進(jìn)行測量，把塊規(guī)標(biāo)值和對應(yīng)的頻率計(jì)數(shù)值存入計(jì)算機(jī)，形成供測量及處理所需的數(shù)據(jù)表格。測量時，測頭與被測點(diǎn)接觸，頻率計(jì)數(shù)值進(jìn)入計(jì)算機(jī)40后，計(jì)算機(jī)40執(zhí)行操作程序，將其在相鄰的兩標(biāo)定點(diǎn)之間按一定數(shù)學(xué)曲線(如直線，拋物線、園弧等)進(jìn)行扦值計(jì)算，得到被測點(diǎn)的位移數(shù)值，由于相鄰標(biāo)定點(diǎn)間的距離很近，而在標(biāo)定點(diǎn)上無非線性誤差，所以這樣處理后非線性誤差被壓縮到可忽略的程度。
在本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)40在每一短時間△t內(nèi)，通過控制可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器20來對位移傳感裝置10的輸出信號的頻率檢測一次。這樣這個具有數(shù)據(jù)采集，處理動能的計(jì)算機(jī)位移測量裝置便能夠?qū)Ρ粶y物位移隨時間的變化進(jìn)行連續(xù)測量。盡管在本發(fā)明實(shí)施例中，該裝置只有一個探頭，但是根據(jù)本發(fā)明，該裝置也可以有兩個探頭及其位移傳感系統(tǒng)，這樣就可以測出被測物在平面上的運(yùn)動曲線。如有三個探頭，那么還可以測出被測物在空間中的位移。
對于那些在本技術(shù)領(lǐng)域：
里具有一般技術(shù)水平的人，會很清楚本發(fā)明不只限于本實(shí)施例。例如在本實(shí)施例中，是通過使電感L的電感量隨位移量變化而使L-C振蕩器的振蕩頻率變化的。事實(shí)上我們也可以通過使電容C的電容量隨位移量變化，來達(dá)到上述目的。同樣，也可以用其它具有門控功能的器件來代替本實(shí)施例中的可控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在本發(fā)明實(shí)施例中，計(jì)數(shù)器為可編程大規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器，當(dāng)然也可以用那些普通計(jì)數(shù)器等器件。總之，在本發(fā)明權(quán)利要求
范圍之內(nèi)所做的任何變更都應(yīng)屬于本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括至少一個將位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率電信號的位移傳感裝置；至少一個門裝置和至少一個計(jì)數(shù)裝置；計(jì)算機(jī)和計(jì)數(shù)裝置構(gòu)成一個計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)；位移傳感裝置的輸出信號作為門裝置的輸入信號；門裝置的輸出信號作為計(jì)數(shù)裝置的輸入信號；計(jì)算機(jī)定期“打開”，“關(guān)閉”門裝置，計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)直接處理對應(yīng)于一定位移的具有相應(yīng)頻率的電信號。
2.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的位移測量設(shè)備，所述的位移傳感裝置包括一個“電感-電容”振蕩器，振蕩器的電感量隨位移量的變化而變化，從而產(chǎn)生出頻率值與位移量相對應(yīng)的電信號。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的位移測量設(shè)備，所述的位移傳感裝置包括一個“電感-電容”振蕩器，振蕩器的電容量隨位移量的變化而變化，從而產(chǎn)生出頻率值與位移量相對應(yīng)的電信號。
4.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的位移測量設(shè)備，所述的門裝置包括一個具有門邏輯的門電路，當(dāng)該門電路的控制端接收的信號是一個確定的電平時，門處于“開”狀態(tài)，當(dāng)該控制端接收的電信號是另一個確定的電平時，門處于“關(guān)”狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1的位移測量設(shè)備，所述的計(jì)數(shù)裝置包括一個計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器首先被置成一個確定的數(shù)然后每接收到一個脈沖則計(jì)一個數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)項(xiàng)5所述的位移測量設(shè)備中的計(jì)數(shù)器包括有一個Z80CTC電路。
7.具有計(jì)算機(jī)的位移測量方法，其特征在于1)將位移量轉(zhuǎn)換成頻率隨位移量變化而變化的電信號;2)將該電信號送入門裝置;3)計(jì)算機(jī)定期“打開”，“關(guān)閉”該門裝置;4)將門裝置“打開”期間通過該門裝置的電信號送入計(jì)數(shù)裝置計(jì)數(shù)，從而得到該電信號的頻率數(shù)值;5)計(jì)算機(jī)對該數(shù)值進(jìn)行采集，處理，從而獲得位移量的數(shù)值。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7的位移測量方法，在實(shí)際測量前，有一個如下的標(biāo)定過程1)位移傳感裝置把一系列已知的位移量轉(zhuǎn)換成一系列電信號，每個電信號的頻率與每個位移量相對應(yīng);2)計(jì)數(shù)裝置對每個電信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到每個電信號的頻率數(shù)值;3)計(jì)算機(jī)對該頻率數(shù)值進(jìn)行采集，處理，并且把一系列已知的位移量和與其相對應(yīng)的頻率數(shù)值貯存起來以備實(shí)際測量時使用。
專利摘要
具有計(jì)算機(jī)的位移測量設(shè)備和方法，包括一個將位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率電信號的傳感器；一個門電路；一個計(jì)數(shù)器和一臺計(jì)算機(jī)；傳感器的輸出信號送入門電路；計(jì)算機(jī)定期“打開”“關(guān)閉”門電路；計(jì)數(shù)器對門打開期間通過的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)；計(jì)算機(jī)采集、處理該數(shù)從而不使用“?！獢?shù)”轉(zhuǎn)換器便可以把位移量送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
文檔編號G01B7/02GK85101440SQ85101440
公開日1986年7月30日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者李徐來 申請人:北京市清潔機(jī)械廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan