[發(fā)明專利]一種高精度高速直線測(cè)距測(cè)速裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910247924.4
• 申請(qǐng)日: 2019-03-29
• 公開（公告）號(hào): CN109883487A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高曉輝;劉永光;程楠楠;萬(wàn)譯澤;井旭升;張春友
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明為一種高精度高速直線測(cè)距測(cè)速裝置，采用高精度多圈絕對(duì)值角度傳感器與小模數(shù)消隙齒輪齒條相結(jié)合的方式，將測(cè)量到的角度信息轉(zhuǎn)化為位移信息，然后將位移進(jìn)行一次微分得到速度信息。同時(shí)，采用直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向軸和彈簧形成彈性支撐，將齒輪和齒條一直處于彈性接觸，大大提高了測(cè)量距離和速度。該裝置具有測(cè)量距離長(zhǎng)、速度高、精度高、價(jià)格低、安裝維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測(cè)距測(cè)速領(lǐng)域，尤其適用于測(cè)量高速直線運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度。

背景技術(shù)

直線測(cè)距測(cè)速裝置主要用來(lái)測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度信息。目前同時(shí)具有測(cè)速測(cè)距功能的傳感器一般具有兩種方式：一種是傳感器基于測(cè)量位移原理設(shè)計(jì)，然后對(duì)位移進(jìn)行一次微分得到速度信息，這種方式一般測(cè)量位移精度比較高，而速度精度則決定于位移精度、定時(shí)器精度和采樣速率；另一種是傳感器基于測(cè)量速度原理設(shè)計(jì)，然后對(duì)速度進(jìn)行一次積分得到位移，這種方式一般測(cè)量速度精比較高，而只能測(cè)量相對(duì)位移，不能測(cè)量絕對(duì)位置。當(dāng)直線距離較長(zhǎng)(＞20m)速度較高(>10m/s)時(shí)，采用目前市場(chǎng)上的拉線式位移傳感器、拉桿式位移傳感器、磁柵尺、光柵尺等基于測(cè)量位置的傳感器，不但量程無(wú)法滿足需求、安裝復(fù)雜，而且也無(wú)法測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)的物體。而采用激光、雷達(dá)等先進(jìn)的測(cè)試儀器，雖然測(cè)量距離比較遠(yuǎn)，但是價(jià)格比較昂貴，當(dāng)在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)位移精度較低(>1mm)。因此，設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、安裝維護(hù)方便的高精度高速直線測(cè)距測(cè)速裝置，不但能夠滿足工業(yè)需求，而且將會(huì)促進(jìn)高精度高速測(cè)距測(cè)速行業(yè)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種高精度高速直線測(cè)距測(cè)速裝置，采用高精度多圈絕對(duì)值角度傳感器與小模數(shù)齒輪齒條相結(jié)合的方式，將測(cè)量到的角度信息轉(zhuǎn)化為位移信息，然后將位移進(jìn)行一次微分得到速度信息。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明為一種高精度高速直線測(cè)距測(cè)速裝置，包括：安裝底座、直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向軸、彈簧、無(wú)線發(fā)送模塊、齒輪、齒條、過(guò)渡件、角度傳感器、軸承外端蓋、軸承、軸承內(nèi)端蓋、傳感器安裝底座和無(wú)線接收模塊。齒輪通過(guò)軸承、軸承外端蓋、軸承內(nèi)端蓋與傳感器安裝底座和角度傳感器聯(lián)接為一個(gè)整體，可以相對(duì)傳感器安裝底座實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與角度傳感器的輸出軸聯(lián)接為一體，這樣角度傳感器就可以用來(lái)測(cè)量齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。無(wú)線發(fā)送模塊將采集的角度信息通過(guò)無(wú)線發(fā)送的方式傳輸給無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收模塊中控制器將接收的角度信息乘以齒輪的分度圓長(zhǎng)度得到位移信息，然后通過(guò)一次微分得到速度信息。

角度傳感器選用多圈絕對(duì)值角度傳感器，最大轉(zhuǎn)速為6750轉(zhuǎn)/分，測(cè)量角度精度為±1′，測(cè)量范圍±32767圈，數(shù)據(jù)刷新頻率為5kHz。這樣當(dāng)齒輪的分度圓直徑為0.1m時(shí)，可測(cè)量的直線位移范圍是±32767×π×0.1＝±10294m，測(cè)量最大速度為6750×π×0.1/60＝35m/s，理論位移精度為±1′×π×0.1＝0.015mm，考慮到結(jié)構(gòu)因素位移測(cè)量至少精度為±0.05mm。由于角度傳感器的數(shù)據(jù)刷新頻率高，無(wú)線接收模塊控制器的定時(shí)器精度高于0.001ms，這樣對(duì)得到的位移進(jìn)行微分后得到的速度精度較高。由此可見(jiàn)，該裝置具位移和速度可測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)需要測(cè)量的位移較長(zhǎng)時(shí)，齒條的直線度無(wú)法通過(guò)加工來(lái)保證，這樣齒輪和齒條在接觸的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)因接觸過(guò)緊導(dǎo)致機(jī)械卡死或者齒輪與齒條之間松脫導(dǎo)致齒輪的轉(zhuǎn)角無(wú)法反應(yīng)真實(shí)位移。因此，在該裝置中通過(guò)導(dǎo)向軸、彈簧和直線導(dǎo)軌形成彈性支撐，彈簧沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的方向?qū)X輪與齒條壓緊，直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向與被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)方向垂直，這樣齒輪和齒條一直處于彈性接觸，既避免了上述現(xiàn)象的發(fā)生，又可以降低齒條加工精度要求。

由于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度比較快，采用有線供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑€纜的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)法保證，因此采用無(wú)線發(fā)送和接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線發(fā)送模塊采用電池供電。

優(yōu)選地，齒輪采用小模數(shù)消隙齒輪，其模數(shù)與齒條相同，這樣可以精確的測(cè)量正反兩個(gè)方向的位移和速度；

優(yōu)選地，角度傳感器的選取不限于本發(fā)明中提到的指數(shù)指標(biāo)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量精度選取符合要求的角度傳感器；